Ученые установили возможность частиц с одинаковым зарядом собираться вместе
Исследование, которое продемонстрировало, что в растворе частицы с одинаковым зарядом иногда могут притягивать, а не отталкивать друг друга, провели ученые химического факультета Оксфорда, 1 марта сообщает сайт новостей науки EurekAlert со ссылкой на пресс-службу университета.
Команда химиков установила, что одноименно заряженные частицы, взвешенные в жидкостях, могут притягивать друг друга на большом расстоянии в зависимости от растворителя и знака заряда.
Фундаментальный принцип физики гласит: «Противоположные заряды притягиваются; одинаковые заряды отталкиваются», а теперь это новое исследование ученых Оксфордского университета продемонстрировало, что одинаково заряженные частицы в растворе на самом деле могут притягивать друг друга на больших расстояниях.
Не менее удивительным является и другое явление, которое обнаружила команда, — открытый ими эффект действует различно на положительно и отрицательно заряженные частицы в зависимости от растворителя.
Помимо опровержения устоявшихся убеждений, эти результаты имеют практическое значение для целого ряда процессов, включающих межчастичные и межмолекулярные взаимодействия на различных расстояниях, включая самосборку, кристаллизацию и разделение фаз.
Оксфордские химики установили, что отрицательно заряженные частицы в воде на больших расстояниях притягиваются друг к другу, тогда как положительно заряженные частицы в воде отталкиваются, но в случае таких растворителей, как спирты, наблюдается обратный эффект.
Эти открытия удивительны, поскольку, кажется, что они противоречат главному принципу электромагнетизма, согласно которому сила между зарядами одного знака является отталкивающей на любом расстоянии.
Применив микроскопию светлого поля (используется для прозрачных взвесей с непрозрачными частичками), команда отследила поведение отрицательно заряженных микрочастиц кремнезема, взвешенных в воде, и обнаружила, что частицы притягиваются друг к другу, образуя гексагонально расположенные кластеры. Однако положительно заряженные частицы аминированного кремнезема (с введенными аминогруппами NH₂) кластеров в воде не образовывали.
Использовав теорию межчастичных взаимодействий, учитывающую структуру растворителя на границе раздела фаз, команда установила, что для отрицательно заряженных частиц в воде существует сила притяжения, которая на больших расстояниях перевешивает электростатическое отталкивание, что приводит к образованию кластеров. Для положительно заряженных частиц в воде это взаимодействие с растворителем всегда является отталкивающим, и кластеры не образуются.
Было обнаружено при этом, что наблюдаемый эффект зависит от pH: команда смогла контролировать образование (или его отсутствие) кластеров отрицательно заряженных частиц, изменяя pH. Независимо от pH, положительно заряженные частицы кластеры не образовывали.
Тогда команда задалась вопросом, можно ли переключить это воздействие на заряженные частицы таким образом, чтобы положительно заряженные частицы образовывали кластеры, а отрицательно заряженные — нет. Заменив растворитель на спирты, такие как этанол, имеющий различное с водой поведение на границе раздела фаз, они наблюдали именно это: положительно заряженные частицы аминированного диоксида кремния образовывали гексагональные кластеры, тогда как отрицательно заряженные частицы кремнезема этого не делали.
По мнению оксфордских ученых, это исследование приводит к необходимости фундаментальной переоценки наших знаний о таких процессах, как стабильность фармацевтических продуктов, продуктов тонкой химии, а также о патологических нарушениях в организме человека, связанных с молекулярной агрегацией.
Полученные результаты, кроме того, представляют собой доказательство возможности исследований свойств межфазного электрического потенциала растворителя, такие как его знак и величина, которые ранее считались неизмеряемыми.
Результаты исследования авторы представили в статье «Зависящая от заряда сила дальнего действия управляет индивидуальной сборкой вещества в растворе», опубликованной 1 марта в журнале Nature Nanotechnology.
