Противоположности притягиваются, а нравится отталкивается? Ученые опровергают основной принцип физики

«Противоположные заряды притягиваются; «Одинаковые заряды отталкиваются» — это фундаментальный принцип фундаментальной физики. Однако новое исследование Оксфордского университета, недавно опубликованное в журнале природа нанотехнологии, Он продемонстрировал, что частицы с одинаковым зарядом в растворе могут притягивать друг друга на больших расстояниях.

Также неожиданно команда обнаружила, что эффект различается для положительно и отрицательно заряженных частиц в зависимости от растворителя.

Помимо переворота устоявшихся убеждений, эти результаты имеют непосредственное значение для ряда процессов, включающих межмолекулярные и межмолекулярные взаимодействия на разных масштабах длины, включая самосборку, кристаллизацию и фазовое разделение.

Группа исследователей из химического факультета Оксфордского университета обнаружила, что отрицательно заряженные частицы притягиваются друг к другу на больших расстояниях, в то время как положительно заряженные частицы отталкивают друг друга, в то время как в случае растворителей, таких как спирт, наблюдается обратное.

Эти результаты удивительны, поскольку они, кажется, противоречат основному принципу электромагнетизма, согласно которому сила между зарядами одного знака отталкивается при любом расстоянии.

Экспериментальные наблюдения

Теперь, используя микроскопию светлого поля, команда отследила крошечные отрицательно заряженные частицы кремнезема, взвешенные в воде, и обнаружила, что частицы притягиваются друг к другу, образуя упорядоченные гексагональные кластеры. Однако положительно заряженные молекулы аминокремнезема не образовывали кластеров в воде.

Используя теорию взаимодействия частиц, учитывающую структуру растворителя на границе раздела, команда продемонстрировала, что для отрицательно заряженных частиц в воде существует сила притяжения, которая перевешивает электростатическое отталкивание на больших расстояниях разделения, что приводит к образованию комки. Для положительно заряженных частиц в воде эта реакция, вызванная растворителем, всегда отталкивает, и агрегаты не образуются.

Было обнаружено, что этот эффект зависит от pH: команда смогла контролировать образование (или отсутствие образования) кластеров отрицательно заряженных частиц, изменяя pH. Независимо от pH положительно заряженные молекулы не образуют кластеров.

Эффекты, специфичные для растворителя, и дополнительные открытия

Естественно, команда задалась вопросом, можно ли изменить эффект на заряженные частицы так, чтобы положительно заряженные частицы образовывали кластеры, а отрицательно заряженные — нет. Заменив растворитель спиртами, такими как этанол, поведение поверхности раздела которых отличается от воды, они наблюдали именно это: положительно заряженные молекулы аминокремнезема образовывали гексагональные группы, тогда как отрицательно заряженный кремнезем не образовывал.

По мнению исследователей, это исследование предполагает фундаментальную перекалибровку понимания, которая повлияет на то, как мы думаем о различных процессах, таких как стабильность фармацевтических и химических продуктов или патологическая дисфункция, связанная с молекулярной агрегацией при заболеваниях человека. Новые результаты также свидетельствуют о возможности исследовать свойства межфазного электрического потенциала, генерируемого растворителем, такие как его знак и размер, которые ранее считались неизмеримыми.

«Я действительно очень горжусь своими аспирантами, а также студентами бакалавриата, которые все вместе работали над продвижением этого фундаментального открытия», — говорит профессор Мадхави Кришнан (факультет химии Оксфордского университета), возглавлявший исследование. изучать.

«Мне до сих пор интересно видеть, как эти частицы притягиваются друг к другу, даже после того, как я видела это тысячу раз», — говорит Сида Ванг (факультет химии Оксфордского университета), первый автор исследования.

Ссылка: «Зарядозависимая сила дальнего действия приводит к специальной сборке материи в растворе», Сида Ванг, Роуэн Уокер Гиббонс, Бетани Уоткинс, Мелисса Флинн и Мадхави Кришнан, 30 февраля 2024 г., Природные нанотехнологии.
дои: 10.1038/s41565-024-01621-5