Одинаковые заряды притягиваются: как это возможно и зачем это нужно

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.

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.

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.