Az ellentétek vonzzák, a kedvelések taszítanak? A tudósok megdöntik a fizika alapelvét

Egy új tanulmány felforgatta a fizika egyik alapelvét, kimutatva, hogy a hasonló töltésű részecskék vonzhatják egymást az oldatban, és a hatás az oldószertől függően változik a pozitív és negatív töltések között. Ennek a felfedezésnek fontos következményei vannak különböző tudományos folyamatokra, beleértve az önszerveződést és a kristályosodást. A kutatás feltárja az oldószer szerkezetének fontosságát a határfelületen a részecskék közötti kölcsönhatások meghatározásában, megkérdőjelezi a régóta fennálló hiedelmeket, és rámutat arra, hogy újra kell értékelnünk az elektromágneses erőkkel kapcsolatos ismereteinket. hitel: Zhang Kang

„Az ellentétes töltések vonzzák; „Mint a töltések taszítják egymást” – ez az alapvető fizika alapelve. Az Oxfordi Egyetem új tanulmánya azonban a közelmúltban jelent meg a folyóiratban természet nanotechnológia, Bebizonyította, hogy az oldatban lévő hasonló töltésű részecskék valójában nagy távolságra is vonzzák egymást.

Szintén meglepő módon a csapat azt találta, hogy a hatás az oldószertől függően eltérő a pozitív és negatív töltésű részecskék esetében.

A régóta fennálló hiedelmek megdöntése mellett ezek az eredmények azonnali hatást gyakorolnak számos olyan folyamatra, amelyek különböző hosszúságú skálákon intermolekuláris és intermolekuláris kölcsönhatásokat foglalnak magukban, beleértve az önszerveződést, a kristályosodást és a fázisszétválasztást.

Az Oxfordi Egyetem Kémiai Tanszékén dolgozó kutatócsoport azt találta, hogy a negatív töltésű részecskék nagy távolságra vonzzák egymást, míg a pozitív töltésű részecskék taszítják egymást, míg az oldószerek, például az alkohol esetében éppen ellenkezőleg.

Ezek az eredmények azért meglepőek, mert látszólag ellentmondanak a központi elektromágneses elvnek, amely szerint az azonos előjelű töltések közötti erő minden elválasztásnál taszító hatású.

Kísérleti megfigyelések

Most világosmezős mikroszkóppal a csapat nyomon követte a vízben szuszpendált apró, negatív töltésű szilícium-dioxid részecskéket, és megállapította, hogy a részecskék vonzzák egymást, és rendezett, hatszögletű klasztereket alkotnak. A pozitív töltésű amino-szilícium-dioxid molekulák azonban nem alkottak klasztereket a vízben.

A részecskekölcsönhatások elméletének felhasználásával, amely figyelembe veszi az oldószer szerkezetét a határfelületen, a csapat bebizonyította, hogy a vízben lévő negatív töltésű részecskékre olyan vonzó erő van, amely meghaladja az elektrosztatikus taszítást nagy elválasztási távolságokon, ami csomók. A vízben lévő pozitív töltésű részecskék esetében ez az oldószer által vezérelt reakció mindig visszataszító, és nem képződnek aggregátumok.

Úgy találták, hogy ez a hatás a pH-tól függ: a csapat a pH megváltoztatásával szabályozni tudta a negatív töltésű részecskék klasztereinek kialakulását (vagy nem képződését). A pH-tól függetlenül a pozitív töltésű molekulák nem alkotnak klasztereket.

Az oldószerek speciális hatásai és további felfedezések

A csapat természetesen azon töprengett, hogy lehetséges lenne-e a töltött részecskékre gyakorolt ​​hatást úgy módosítani, hogy a pozitív töltésű részecskék klasztereket képezzenek, míg a negatív töltésű részecskék nem. Amikor az oldószert alkoholokra, például etanolra cserélték, amelyek határfelületi viselkedése eltér a víztől, pontosan ezt figyelték meg: a pozitív töltésű amino-szilícium-dioxid molekulák hatszögletű csoportokat alkottak, míg a negatív töltésű szilícium-dioxid nem.

A kutatók szerint ez a tanulmány alapvető újrakalibrálást foglal magában a megértéshez, amely hatással lesz a különféle folyamatokról alkotott gondolkodásmódunkra, például a gyógyszerészeti és finomkémiai termékek stabilitására vagy az emberi betegségekben előforduló molekuláris aggregációval összefüggő kóros diszfunkcióra. Az új eredmények bizonyítékot szolgáltatnak arra is, hogy képesek feltárni az oldószer által generált határfelületi elektromos potenciál tulajdonságait, például annak előjelét és méretét, amelyekről korábban azt hitték, hogy nem mérhetőek.

„Igazán nagyon büszke vagyok a végzős hallgatóimra, valamint az egyetemi hallgatókra, akik mind együtt dolgoztak azon, hogy megmozgassák ezt az alapvető felfedezést” – mondja Madhavi Krishnan professzor (Oxfordi Egyetem Kémiai Tanszéke), a projekt vezetője. tanulmány.

„Még mindig lenyűgözőnek találom, hogy ezek a részecskék vonzzák egymást, még akkor is, ha már ezerszer láttam” – mondja Sida Wang (Oxfordi Egyetem Kémiai Tanszéke), a tanulmány első szerzője.

Hivatkozás: Syda Wang, Rowan Walker Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn és Madhavi Krishnan: „Hosszú hatótávolságú töltésfüggő erő mozgatja az anyag ad hoc összeállítását az oldatban”, 2024. február 30. Természet nanotechnológia.
doi: 10.1038/s41565-024-01621-5