Новое исследование опровергло фундаментальный принцип физики, продемонстрировав, что одинаково заряженные частицы могут притягивать друг друга в растворе, причем эффект варьируется от положительных до отрицательных зарядов в зависимости от растворителя. Это открытие имеет важное значение для различных научных процессов, включая самосборку и кристаллизацию. Исследование показывает важность структуры растворителя на границе раздела частиц в определении межчастичных взаимодействий, бросая вызов давним убеждениям и указывая на необходимость переоценки нашего понимания электромагнитных сил. Кредит: Чжан Кан
«Противоположные заряды притягиваются; подобные заряды отталкиваются» — фундаментальный принцип фундаментальной физики. Однако новое исследование Оксфордского университета, недавно опубликованное в журнале Природные нанотехнологии, продемонстрировал, что одинаково заряженные частицы в растворе могут фактически притягивать друг друга на большие расстояния.
Не менее удивительно то, что команда обнаружила, что эффект различен для положительно и отрицательно заряженных частиц в зависимости от растворителя.
Помимо переворота устоявшихся убеждений, эти результаты имеют непосредственное значение для целого ряда процессов, включающих межчастичные и межмолекулярные взаимодействия на различных масштабах, включая самосборку, кристаллизацию и фазовое разделение.
Группа исследователей из химического факультета Оксфорда обнаружила, что отрицательно заряженные частицы притягиваются друг к другу на больших расстояниях, тогда как положительно заряженные частицы отталкиваются, тогда как в случае растворителей, таких как спирты, наблюдается обратное.
Эти открытия удивительны, поскольку они, кажется, противоречат главному принципу электромагнетизма, согласно которому сила между зарядами одного знака отталкивается при любом расстоянии.
Экспериментальные наблюдения
Теперь, используя микроскопию светлого поля, команда отследила отрицательно заряженные микрочастицы кремнезема, взвешенные в воде, и обнаружила, что частицы притягиваются друг к другу, образуя гексагонально расположенные кластеры. Однако положительно заряженные частицы аминированного кремнезема не образовывали кластеров в воде.
Используя теорию межчастичных взаимодействий, учитывающую структуру растворителя на границе раздела, команда установила, что для отрицательно заряженных частиц в воде существует сила притяжения, которая перевешивает электростатическое отталкивание на больших расстояниях, что приводит к образованию кластеров. Для положительно заряженных частиц в воде это взаимодействие с растворителем всегда является отталкивающим, и кластеры не образуются.
Было обнаружено, что этот эффект зависит от pH: команда смогла контролировать образование (или отсутствие) кластеров отрицательно заряженных частиц, изменяя pH. Независимо от pH положительно заряженные частицы не образовывали кластеры.
Эффекты, специфичные для растворителей, и дальнейшие открытия
Естественно, команда задалась вопросом, можно ли переключить воздействие на заряженные частицы таким образом, чтобы положительно заряженные частицы образовывали кластеры, а отрицательно заряженные — нет. Заменив растворитель на спирты, такие как этанол, который имеет другое поведение на границе раздела с водой, они наблюдали именно это: положительно заряженные частицы аминированного диоксида кремния образовывали гексагональные кластеры, тогда как отрицательно заряженные частицы кремнезема этого не делали.
По мнению исследователей, это исследование подразумевает фундаментальную перекалибровку понимания, которая повлияет на то, как мы думаем о таких разных процессах, как стабильность фармацевтических продуктов и продуктов тонкой химии или патологические нарушения, связанные с молекулярной агрегацией при заболеваниях человека. Новые результаты также предоставляют доказательства способности исследовать свойства межфазного электрического потенциала растворителя, такие как его знак и величина, которые ранее считались неизмеримыми.
Профессор Мадхави Кришнан (факультет химии Оксфордского университета), который руководил исследованием, говорит: «Я действительно очень горжусь двумя моими аспирантами, а также студентами, которые все вместе работали над тем, чтобы продвинуть иглу в этом фундаментальном открытии. ».
Сида Ванг (факультет химии Оксфордского университета), первый автор исследования, говорит: «Мне до сих пор интересно видеть, как эти частицы притягиваются, даже я видел это тысячу раз».
Ссылка: «Зарядозависимая сила дальнего действия приводит к индивидуальной сборке материи в растворе», Сида Ванг, Роуэн Уокер-Гиббонс, Бетани Уоткинс, Мелисса Флинн и Мадхави Кришнан, 30 февраля 2024 г., Природные нанотехнологии.
DOI: 10.1038/s41565-024-01621-5