Przeciwieństwa się przyciągają, lubią odpychać? Naukowcy obalają podstawową zasadę fizyki

Nowe badanie wywróciło do góry nogami podstawową zasadę fizyki, pokazując, że podobnie naładowane cząstki mogą przyciągać się w roztworze, przy czym efekt różni się między ładunkami dodatnimi i ujemnymi, w zależności od rozpuszczalnika. Odkrycie to ma ważne implikacje dla różnych procesów naukowych, w tym samoorganizacji i krystalizacji. Badanie ujawnia znaczenie struktury rozpuszczalnika na granicy faz w określaniu interakcji między cząsteczkami, podważając długo utrzymywane przekonania i wskazując na potrzebę ponownej oceny naszego rozumienia sił elektromagnetycznych. Źródło: Zhang Kang

„Ładunki przeciwne przyciągają się; „Podobne ładunki odpychają się” jest podstawową zasadą podstawowej fizyki. Jednak nowe badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Oksfordzkim, opublikowane niedawno w czasopiśmie nanotechnologia przyrodnicza, Wykazał, 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, wyniki 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, było 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.

Obserwacje eksperymentalne

Teraz za pomocą mikroskopii w jasnym polu zespół wyśledził maleńkie, ujemnie naładowane cząsteczki krzemionki zawieszone w wodzie i odkrył, że cząstki te przyciągają się nawzajem, tworząc uporządkowane, sześciokątne 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 w przypadku ujemnie naładowanych cząstek w wodzie istnieje siła przyciągania, która przy dużych odległościach separacji przewyższa odpychanie elektrostatyczne, co prowadzi do powstawania grudki. 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.

Specjalne działanie rozpuszczalników i dodatkowe odkrycia

Oczywiście zespół zastanawiał się, czy możliwe byłoby przełączenie efektu na naładowane cząstki, tak aby dodatnio naładowane cząstki tworzyły skupiska, podczas gdy 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.

Odniesienie: „Zależna od ładunku siła dalekiego zasięgu napędza doraźne składanie materii w roztworze”, autorzy: Syda Wang, Rowana Walker Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn i Madhavi Krishnan, 30 lutego 2024 r., Nanotechnologia natury.
doi: 10.1038/s41565-024-01621-5