Одинаковые заряды притягиваются: как это возможно и зачем это нужно

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Все мы знаем из школьного курса физики, что противоположные заряды притягиваются, а одинаковые отталкиваются. Это кажется самоочевидным и не подлежащим сомнению. Однако недавнее исследование, проведенное учеными из Оксфордского университета, опровергло этот принцип, показав, что в некоторых условиях одинаково заряженные частицы могут притягиваться друг к другу на довольно больших расстояниях. Более того, оказалось, что этот эффект зависит не только от знака заряда, но и от типа растворителя, в котором находятся частицы.

Исследование показало, что отрицательно заряженные микрочастицы кремнезема, взвешенные в воде, притягиваются друг к другу, образуя гексагонально расположенные кластеры
Исследование показало, что отрицательно заряженные микрочастицы кремнезема, взвешенные в воде, притягиваются друг к другу, образуя гексагонально расположенные кластеры
Автор: Zhang Kang Источник: phys.org

Это открытие имеет огромное значение для различных областей науки и технологии, связанных с межчастичными и межмолекулярными взаимодействиями. Например, это может повлиять на процессы самосборки, кристаллизации и фазового разделения, которые играют важную роль в создании новых материалов, лекарств и биомолекул. Также это может помочь понять механизмы, лежащие в основе некоторых болезней, связанных с агрегацией белков или других макромолекул в организме.

Как же ученым удалось обнаружить такой неожиданный эффект? Для этого они использовали специальные микроскопические частицы кремнезема, которые имели либо положительный, либо отрицательный заряд на поверхности. Эти частицы были взвешены в разных растворителях, таких как вода или спирт, и наблюдались под светлопольным микроскопом. Ученым удалось отследить движение и расположение частиц в растворе и измерить силу взаимодействия между ними.

(а), Схематические изображения двух взаимодействующих сфер (вверху) и доминирующей средней ориентации молекул воды вблизи незаряженной поверхности (посередине). Внизу: Различные вклады в общую свободную энергию взаимодействия для положительно (красные линии) и отрицательно заряженных (синие линии) частиц. (b), Отрицательно заряженные частицы кремнезема (SiO−, синие круги, R = 4,82 мкм) образуют в воде кластеры ГПУ в зависимости от концентрации солей, c0 (средний ряд). Масштабные линейки, 20 мкм. На врезке, слева внизу: траектории частиц в одном кластере в течение 30 с. Масштабная линейка, 5 мкм. Положительно заряженные аминированные частицы кремнезема (NH3+, розовые круги, R = 3,92 мкм) в воде не образуют кластеров независимо от c0 (нижний ряд). Изображения, полученные с помощью светлопольной микроскопии.
(а), Схематические изображения двух взаимодействующих сфер (вверху) и доминирующей средней ориентации молекул воды вблизи незаряженной поверхности (посередине). Внизу: Различные вклады в общую свободную энергию взаимодействия для положительно (красные линии) и отрицательно заряженных (синие линии) частиц. (b), Отрицательно заряженные частицы кремнезема (SiO−, синие круги, R = 4,82 мкм) образуют в воде кластеры ГПУ в зависимости от концентрации солей, c0 (средний ряд). Масштабные линейки, 20 мкм. На врезке, слева внизу: траектории частиц в одном кластере в течение 30 с. Масштабная линейка, 5 мкм. Положительно заряженные аминированные частицы кремнезема (NH3+, розовые круги, R = 3,92 мкм) в воде не образуют кластеров независимо от c0 (нижний ряд). Изображения, полученные с помощью светлопольной микроскопии.
Автор: Wang, S., Walker-Gibbons, R., Watkins, B. et al. A charge-dependent long-ranged force drives tailored assembly of matter in solution. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01621-5 Источник: www.nature.com

Оказалось, что в воде отрицательно заряженные частицы кремнезема притягивались друг к другу и образовывали шестиугольные кластеры, напоминающие соты. При этом положительно заряженные частицы кремнезема в воде отталкивались друг от друга и не образовывали кластеров. Это было в противоречии с тем, что ожидалось по классической электростатике, согласно которой сила между одинаково заряженными частицами должна быть всегда отталкивающей.

Ученым также удалось выяснить, что этот эффект сильно зависит от рН раствора, то есть от концентрации водородных ионов. При изменении рН они могли контролировать образование или разрушение кластеров из отрицательно заряженных частиц. При этом положительно заряженные частицы не реагировали на изменение рН и не образовывали кластеров при любом значении рН.

Еще более удивительным было то, что при замене растворителя на спирт, такой как этанол, эффект менялся на противоположный. В этом случае положительно заряженные частицы кремнезема притягивались друг к другу и образовывали шестиугольные кластеры, а отрицательно заряженные частицы кремнезема отталкивались друг от друга и не образовывали кластеров. Таким образом, роль знака заряда и типа растворителя оказалась весьма существенной для межчастичного взаимодействия.

Чтобы объяснить эти результаты, ученым пришлось разработать новую теорию, которая учитывает структуру растворителя на границе раздела фаз с частицами. Они показали, что для отрицательно заряженных частиц в воде существует дополнительная притягивающая сила, вызванная особенностями распределения молекул воды вблизи поверхности частиц. Эта сила превосходит электростатическое отталкивание на больших расстояниях, что приводит к образованию кластеров. Для положительно заряженных частиц в воде эта дополнительная сила всегда отталкивающая, и кластеры не образуются.

В случае спиртов, таких как этанол, ситуация меняется. Для положительно заряженных частиц в спирте появляется притягивающая сила, связанная с распределением молекул спирта вблизи поверхности частиц. Эта сила превосходит электростатическое отталкивание на больших расстояниях, что приводит к образованию кластеров. Для отрицательно заряженных частиц в спирте эта дополнительная сила всегда отталкивающая, и кластеры не образуются.

Таким образом, ученые смогли показать, что межчастичное взаимодействие зависит не только от заряда частиц, но и от структуры растворителя на границе раздела фаз. Это открывает новые возможности для управления межчастичными взаимодействиями и создания новых наноструктур с заданными свойствами.

3 комментария

Добавить комментарий

a
То есть никаких «потрясений основ» не получилось.
d
Просветите, что такое светлопольный микроскоп
1
Интерпретация опыта Не верна. Физика правильно утверждает об отталкивании частиц. Тут уже химия, растворители играют роль. А объясняют как бы физику. Без растворителя определенной PH это уже не физика, а выдают за физику. Не путайте людей.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Зачем крокодилы глотают камни: какую роль обычные булыжники играют в организме хищника?

Крокодилы известны мощными челюстями, острыми зубами и способностью справляться с добычей, которая кажется слишком крупной для одного приёма пищи. Но есть у этих хищников ещё одна необычная...

Древняя находка в пустыне Египта заставила пересмотреть прародину человечества: как одна окаменелость изменила карту эволюции приматов

На протяжении многих десятилетий ученые считали, что первые предки современных человекообразных обезьян и людей появились в Восточной Африке. На территории современных Кении, Уганды и Танзании...

Украли телефон — что будет с почтой, облаком и Госуслугами и как подготовиться заранее

Новая SIM-карта вернёт номер, но не вернёт ваши аккаунты. Что лежит в телефоне, о чём забывают и что настроить за один вечер, пока он ещё у вас.

Вагоны ледники: как перевозили скоропорт в поездах до появления рефрижераторов

До того как в железнодорожном транспорте появились вагоны с машинным охлаждением, единственным способом доставить скоропортящиеся продукты на большие расстояния были вагоны ледники. Это целая...

Зарядка 65 Вт с микроплаты: обзор модуля на микросхеме XPM52C

Для самодельных конструкций часто нужно добавить порт для зарядки смартфона. Быстрая зарядка гаджетов теперь обыденность. Сегодня рассмотри зарядный модуль под внешнее питание, который обеспечивает...

Велосипеды моего детства из СССР: личный опыт

Все началось с детского трехколесного велосипеда под названием «Ветерок». Это был не просто велик, а, согласно заводского наименования, ДКВ-2: «детский комбинированный велосипед». Любопытно: эту...