Противоположностите се привличат, харесванията отблъскват? Учените преобръщат основния принцип на физиката

Ново проучване преобърна фундаментален принцип на физиката, като показа, че еднакво заредени частици могат да се привличат една друга в разтвор, като ефектът варира между положителни и отрицателни заряди в зависимост от разтворителя. Това откритие има важни последици за различни научни процеси, включително самосглобяване и кристализация. Изследването разкрива значението на структурата на разтворителя на интерфейса при определяне на взаимодействията между частиците, предизвиквайки дългогодишни вярвания и посочвайки необходимостта от преоценка на нашето разбиране за електромагнитните сили. Кредит: Джан Кан

„Противоположните заряди се привличат; „Подобните заряди се отблъскват“ е основен принцип на фундаменталната физика. Въпреки това, ново проучване от Оксфордския университет, наскоро публикувано в списанието природни нанотехнологии, Той демонстрира, че частици с подобен заряд в разтвор могат действително да се привличат една друга на големи разстояния.

Също така изненадващо, екипът установи, че ефектът се различава за положително и отрицателно заредени частици, в зависимост от разтворителя.

Освен че преобръщат дългогодишни вярвания, тези резултати имат непосредствени последици за редица процеси, включващи междумолекулни и междумолекулни взаимодействия в различни мащаби на дължина, включително самосглобяване, кристализация и разделяне на фазите.

Екипът от изследователи, базиран в катедрата по химия на Оксфордския университет, установи, че отрицателно заредените частици се привличат една друга на големи разстояния, докато положително заредените частици се отблъскват, докато обратното е случаят с разтворители като алкохол.

Тези резултати са изненадващи, защото изглежда противоречат на централния електромагнитен принцип, който гласи, че силата между зарядите с един и същи знак е отблъскваща при всяко разделяне.

Експериментални наблюдения

Сега, използвайки микроскопия в светло поле, екипът е проследил малки, отрицателно заредени частици силициев диоксид, суспендирани във вода, и е открил, че частиците се привличат една друга, за да образуват подредени, шестоъгълни клъстери. Въпреки това, положително заредените амино-силициеви молекули не образуват клъстери във вода.

Използвайки теорията за взаимодействията на частиците, която отчита структурата на разтворителя на повърхността, екипът демонстрира, че за отрицателно заредени частици във вода има сила на привличане, която превъзхожда електростатичното отблъскване при големи разстояния на разделяне, което води до образуването на бучки. За положително заредени частици във вода тази реакция, задвижвана от разтворител, винаги е отблъскваща и не се образуват агрегати.

Установено е, че този ефект зависи от pH: екипът е успял да контролира образуването (или необразуването) на клъстери от отрицателно заредени частици чрез промяна на pH. Независимо от pH, положително заредените молекули не образуват клъстери.

Специални ефекти на разтворителите и допълнителни открития

Естествено, екипът се чудеше дали би било възможно да се превключи ефектът върху заредените частици, така че положително заредените частици да образуват клъстери, докато отрицателно заредените частици не. Чрез смяната на разтворителя с алкохоли, като етанол, които имат различно поведение на интерфейса от водата, те наблюдават точно това: положително заредените молекули на амино-силициев диоксид образуват хексагонални групи, докато отрицателно зареденият силициев диоксид не.

Според изследователите това проучване включва фундаментално повторно калибриране в разбирането, което ще повлияе на начина, по който мислим за различни процеси като стабилността на фармацевтични и фини химически продукти или патологична дисфункция, свързана с молекулярна агрегация при човешки заболявания. Новите резултати също така предоставят доказателство за способността да се изследват свойствата на междинния електрически потенциал, генериран от разтворителя, като неговия знак и размер, които преди се смятаха за неизмерими.

„Наистина съм много горд с моите завършили студенти, както и със студентите, които всички работиха заедно, за да преместят иглата на това фундаментално откритие“, казва професор Мадхави Кришнан (Катедра по химия, Оксфордския университет), който ръководи проучване.

„Все още намирам за очарователно да видя как тези частици се привличат една друга, дори след като съм го виждал хиляди пъти“, казва Сида Уанг (Катедра по химия, Оксфордски университет), първи автор на изследването.

Справка: „Сила, зависима от заряда на дълъг обхват, задвижва ad hoc сглобяването на материя в разтвор“ от Сида Уанг, Роуън Уокър Гибънс, Бетани Уоткинс, Мелиса Флин и Мадхави Кришнан, 30 февруари 2024 г., Природни нанотехнологии.
doi: 10.1038/s41565-024-01621-5