Nowe badanie pokazuje, że podobne naładowane cząstki mogą się gromadzić

„Przeciwne ładunki przyciągają, a przeciwne ładunki odpychają” to podstawowa zasada fundamentalnej fizyki. Jednak nowe badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Oksfordzkim, opublikowane dzisiaj w Nanotechnologia naturyWykazał, że podobnie naładowane cząstki w roztworze mogą faktycznie przyciągać się na duże odległości. Co zaskakujące, zespół odkrył, że efekt różni się w przypadku cząstek naładowanych dodatnio i ujemnie, w zależności od rozpuszczalnika.

Oprócz obalania długo utrzymywanych przekonań, odkrycia te mają bezpośrednie implikacje dla szeregu procesów obejmujących interakcje międzycząsteczkowe i międzycząsteczkowe w różnych skalach długości, w tym samoorganizację, krystalizację i separację faz.

Zespół naukowców z Wydziału Chemii Uniwersytetu Oksfordzkiego odkrył, że cząstki naładowane ujemnie przyciągają się na duże odległości, cząstki naładowane dodatnio odpychają się, podczas gdy w przypadku rozpuszczalników takich jak alkohol jest odwrotnie. Wyniki te są zaskakujące, ponieważ wydają się zaprzeczać centralnej zasadzie elektromagnetycznej, która głosi, że siła między ładunkami tego samego znaku jest odpychająca we wszystkich separacjach.

Za pomocą mikroskopii w jasnym polu zespół śledził maleńkie, ujemnie naładowane cząsteczki krzemionki zawieszone w wodzie i odkrył, że cząstki te przyciągały się do siebie, tworząc sześciokątnie ułożone skupiska. Jednakże dodatnio naładowane cząsteczki aminokrzemionki nie tworzyły skupisk w wodzie.

Korzystając z teorii oddziaływań cząstek, która uwzględnia strukturę rozpuszczalnika na granicy faz, zespół wykazał, że dla ujemnie naładowanych cząstek w wodzie istnieje siła przyciągania, która przy dużych odległościach separacji przewyższa odpychanie elektrostatyczne, co prowadzi do tworzenia się grudek . W przypadku dodatnio naładowanych cząstek w wodzie ta reakcja napędzana rozpuszczalnikiem jest zawsze odpychająca i nie tworzą się żadne agregaty.

Stwierdzono, że efekt ten zależy od pH. Zespołowi udało się kontrolować powstawanie (lub brak powstawania) skupisk ujemnie naładowanych cząstek poprzez zmianę pH. Niezależnie od pH, cząsteczki naładowane dodatnio nie tworzą skupisk.

Oczywiście zespół zastanawiał się, czy możliwe byłoby przełączenie efektu na naładowane cząstki, tak aby cząstki naładowane dodatnio tworzyły skupiska, a cząstki naładowane ujemnie nie. Zmieniając rozpuszczalnik na alkohole, takie jak etanol, które mają inne zachowanie na granicy faz niż woda, zaobserwowali dokładnie to, co zaobserwowali: dodatnio naładowane cząsteczki aminokrzemionki utworzyły grupy heksagonalne, podczas gdy ujemnie naładowana krzemionka nie.

Według naukowców badanie to wymaga fundamentalnej ponownej kalibracji w rozumieniu, co będzie miało wpływ na sposób, w jaki myślimy o różnych procesach, takich jak stabilność produktów farmaceutycznych i wysokowartościowych produktów chemicznych czy dysfunkcja patologiczna związana z agregacją molekularną w chorobach ludzkich. Nowe wyniki dostarczają również dowodów na możliwość badania właściwości międzyfazowego potencjału elektrycznego generowanego przez rozpuszczalnik, takich jak jego znak i wielkość, które wcześniej uważano za niemierzalne.

„Jestem naprawdę bardzo dumny z moich doktorantów, a także studentów studiów licencjackich, którzy wszyscy razem pracowali nad tym fundamentalnym odkryciem” – mówi profesor Madhavi Krishnan (Wydział Chemii Uniwersytetu Oksfordzkiego), który kierował projektem badanie.

„Nadal fascynuje mnie obserwowanie przyciągania się tych cząstek, nawet po tym, jak widziałem to tysiąc razy” – mówi Sida Wang (Wydział Chemii Uniwersytetu Oksfordzkiego), pierwsza autorka badania.