反离子诱导的离子微凝胶溶胀

离子微凝胶颗粒分散在溶剂中时，会溶胀至由静电力和弹性力平衡决定的平衡尺寸。通过改变外部刺激（如pH、盐浓度和温度）来调节颗粒尺寸，在药物递送、微流控和过滤等领域具有重要意义。为模拟离子微凝胶的溶胀，我们推导了一个统计力学定理，该定理在细胞模型内精确成立，用于描述可渗透胶体大离子内部渗透压的静电贡献。应用该定理，我们展示了离子微凝胶内反离子的分布如何决定内部渗透压。通过将基于泊松-玻尔兹曼理论和分子动力学模拟计算的静电压力，与基于弗洛里-雷纳溶胀聚合物网络理论模拟的弹性压力相结合，我们展示了离子微凝胶随颗粒浓度增加而消溶胀如何源于反离子的重新分布，从而降低了静电压力。静电压力的线性化近似被证明非常精确，不仅提供了物理洞察，还极大简化了实际应用中的数值计算。通过与实验比较，我们解释了为何去离子悬浮液中的软颗粒会随浓度增加而消溶胀，以及为何这种效应在较高离子强度下可能被抑制。均匀理想气体近似未能充分解释微凝胶密堆积以下的反离子诱导消溶胀，这归因于忽略了反离子密度分布的空间变化以及未完全中和的大离子的静电压力。