En kontraintuitiv sag, hvor ens ladninger tiltrækker

Når det kommer til elektrisk ladning, der er ét altoverskyggende tema:modsætninger tiltrækker, og lignende ladninger frastøder. Men i en ny undersøgelse, fysikere har gjort den overraskende opdagelse, at to sfæriske ens-ladede metal-nanopartikler med ulige ladninger kan tiltrække hinanden i en fortyndet elektrolytopløsning. Grunden, kort sagt, er, at den stærkere ladede nanopartikel polariserer metalkernen i den svagt ladede nanopartikel, som ændrer samspillet mellem nanopartiklerne.

Forskerne, Alexandre P. dos Santos og Yan Levin ved Federal University of Rio Grande do Sul i Brasilien, har udgivet et papir om like-charge attraktionen i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

"Vores papir belyser en meget kontraintuitiv adfærd, som tidligere blev anset for at være umulig, " fortalte Levin Phys.org .

Det er ikke første gang, at forskere har observeret tiltrækning mellem ens ladede partikler. Så langt tilbage som 1980, forskning har vist, at ens ladede partikler kan tiltrække hinanden, når de placeres i en elektrolytopløsning indeholdende multivalente modioner. En multivalent modion er en ion, der kan miste eller få mere end én elektron til at tage en ladning som ±2 eller ±3, og ladningens tegn er modsat en anden ions. For eksempel, aluminiumionen Al ³⁺ er en multivalent modion for chloridionen Cl ^- , sammen danner aluminiumchlorid, AlCl ₃ . Når multivalente modioner er en del af en elektrolytopløsning, deres ladninger kan svinge på en korreleret måde, forårsager ens ladede partikler i opløsningen til at tiltrække hinanden.

Imidlertid, i den nye demonstration, elektrolytopløsningen er 1:1, hvilket betyder, at det kun indeholder monovalente modioner, dvs. ioner, der kun har ±1 ladning. Da elektrostatiske korrelationer mellem ioner i 1:1 opløsninger er ubetydelige, det er generelt blevet antaget, at ens ladede partikler i disse opløsninger altid frastøder hinanden. Til støtte for denne antagelse, i den nye undersøgelse påviste forskerne, at ens-ladede metalplader i en 1:1 elektrolytopløsning altid frastøder hinanden.

Indtil nu, alle de tidligere undersøgelser på dette område har kun undersøgt situationer, hvor de to ens ladede partikler har samme ladningsstørrelse. I den nye undersøgelse, forskerne så på, hvad der sker, når de to partikler har ulige ladninger (dog stadig af samme fortegn).

De fandt ud af, at når to partikler med ulige ladninger i en 1:1 elektrolytopløsning nærmer sig hinanden, nanopartiklerne med den stærkeste ladning vil polarisere nanopartiklernes metalkerne med den svagere ladning, hvilket betyder, at størstedelen af ​​elektronerne i kernen vil samle sig på den ene side af kernen. Dette får den nanopartikel til at have en lille positiv ladning på den ene side og en lille negativ ladning på den anden side. De polarisationsinducerede uensartede ladninger på nanopartiklernes kerne kan få de to ulige ladede nanopartikler til at tiltrække hinanden, selvom nanopartiklerne har samme overordnede ladningstegn. Observationen af, at tiltrækningen kun sker mellem sfæriske metal ulige ladede nanopartikler, og ikke mellem metalplader, indikerer vigtigheden af ​​krumning og tilstedeværelsen af ​​en central kerne for dette kontraintuitive resultat.

Udover at være en interessant teoretisk opdagelse, resultaterne kan også være meget nyttige, når de anvendes på guld nanopartikler, som udvikles til en række medicinske applikationer såsom kræftbehandling og lægemiddellevering. Guld nanopartikler har en stærk affinitet til nogle biologiske overflader, såsom fosfolipidmembraner, som omslutter celler. I den nye undersøgelse, forskerne påviste, at negativt ladede guldnanopartikler generelt afvises fra de negativt ladede overflader af fosfolipidmembraner. Imidlertid, under visse forhold bliver kraften mellem guldnanopartiklerne og membranerne attraktiv. Forskerne planlægger at udforske disse effekter og deres implikationer yderligere i fremtidig forskning.

"Den mekanisme, som vi beskrev, kan også være vigtig for at forstå stabiliteten af ​​suspensioner af biologiske partikler, " Levin sagde. "Den sædvanlige metode til at stabilisere suspensioner af nanopartikler er gennem lignende ladning frastødning - dybest set syntetisere partikler med overflade ladning, så de frastøder hinanden og ikke klæber sammen. Her viser vi, imidlertid, at hvis suspensionen er tilstrækkelig polydispers i størrelse og ladning, lignende ladede nanopartikler kan faktisk tiltrække hinanden, klæber sammen og falder ud."

En af de udfordringer, forskerne stod over for under deres arbejde, var at modellere de nye resultater kvantitativt, da konventionelle metoder er meget beregningsmæssigt dyre. For at løse dette problem, forskerne udviklede en modificeret numerisk tilnærmelsesmetode til at beregne kræfter mellem nanopartikler, der arbejder i størrelsesordener hurtigere end konventionelle metoder. Den nye metode giver også fordele til at studere kræfterne mellem metalnanopartikler og biologiske membraner, samt til at udforske mere komplicerede løsninger. Forskerne planlægger at undersøge begge områder yderligere i fremtiden.

"I vores gruppe, vi har en omfattende forskningslinje i kolloide systemer, som spænder fra simuleringer til teori, " sagde Levin. "Hidtil har vi undersøgt teoretisk virkningerne af polarisering på metalpartikler i 1:1 elektrolyt. Da korrelationseffekterne i sådanne løsninger ikke er særlig stærke, sådanne systemer er modtagelige for vores teoretiske behandling. Imidlertid, i mere komplicerede løsninger såsom 3:1 elektrolyt, korrelationseffekterne mellem ioner vil være meget vigtige, og vores teoretiske værktøjer vil ikke være tilstrækkelige. I dette tilfælde udvikler vi simuleringsmetoder til at studere interaktionen mellem metalnanopartikler."

© 2019 Science X Network