Amphiphile-water systems and electrostatic interactions

Abstract
Electrostatic interactions in an aqueous medium are analysed with amphiphile-water systems as models. It is concluded that the mean field Poisson-Boltzmann approximation is often adequate to describe electrostatic effects in ionic systems particularly with monovalent counterions. Two approximations inherent in the Poisson-Boltzmann equation are discussed in detail: (i) the neglect of ion-ion correlations, which can be serious when considering the force between two particles and (ii) the continuum ideal dielectric treatment of the solvent, which can be questioned both with respect to the local character of the dielectric response, dielectric saturation and dielectric inhomogeneities. Saturation effects are least problematic, while the situation is unclear with respect to the local character of the dielectric response. As regards dielectric inhomogeneities there are clearly unsolved problems, particularly for the interfacial region. The force between zwitterionic surfaces is analysed in terms of a deviation from the asymptotic behaviour obtained by the Lifshitz theory. One should expect a substantial k-dependence of the dielectric response for a zwitterionic layer and this effect may be essential for understanding the interaction between two such surfaces at intermediate and short separations.

Résumé
On analyse les interactions électrostatiques en milieu aqueux dans le but d'une application aux systèmes amphiphile/eau. On trouve que l'approximation de champ moyen Poisson-Boltzmann est souvent adéquate pour décrire ces effets, en particulier dans le cas de contre-ions monovalents. On discute en détail deux approximations qui sont inhérentes à l'équation de Poisson-Boltzmann : (i) l'omission des corrélations ion-ion, qui peut être grave lorsqu'on considère la force entre deux particules et (ii) le traitement du solvant comme un continuum diélectrique idéal, qui pourrait être incompatible avec le caractère local de la réponse diélectrique, avec la saturation diélectrique et avec les inhomogénéités diélectriques. On analyse la force entre surfaces zwitterioniques par un calcul du comportement asymptotique dans le cadre de la théorie de Lifshitz. On attend une dépendance en k importante de la réponse diélectrique pour des couches zwitterioniques ; cet effet peut être essentiel pour la compréhension de l'interaction à courte et moyenne distance entre de telles surfaces.