Det er ikke kun modsætninger, der tiltrækker:Ny undersøgelse viser ens ladede partikler kan komme sammen

"Modsatte ladninger tiltrækker; ligesom ladninger frastøder" er et grundlæggende princip i grundlæggende fysik. Men en ny undersøgelse fra Oxford University, offentliggjort i dag i Nature Nanotechnology , har vist, at lignende ladede partikler i opløsning faktisk kan tiltrække hinanden over lange afstande. Lige så overraskende fandt holdet ud af, at effekten er forskellig for positivt og negativt ladede partikler, afhængigt af opløsningsmidlet.

Ud over at vælte langvarige overbevisninger har disse resultater umiddelbare implikationer for en række processer, der involverer interpartikel- og intermolekylære interaktioner på tværs af forskellige længdeskalaer, herunder selvsamling, krystallisation og faseadskillelse.

Holdet af forskere, baseret på Oxford's Department of Chemistry, fandt ud af, at negativt ladede partikler tiltrækker hinanden ved store adskillelser, mens positivt ladede partikler frastøder, mens det omvendte var tilfældet for opløsningsmidler som alkoholer. Disse resultater er overraskende, fordi de synes at modsige det centrale elektromagnetiske princip om, at kraften mellem ladninger af det samme tegn er frastødende ved alle adskillelser.

Ved hjælp af lysfeltsmikroskopi sporede holdet negativt ladede silicamikropartikler suspenderet i vand og fandt ud af, at partiklerne tiltrak hinanden for at danne sekskantet arrangerede klynger. Positivt ladede aminerede silicapartikler dannede imidlertid ikke klynger i vand.

Ved hjælp af en teori om interpartikelinteraktioner, der tager højde for opløsningsmidlets struktur ved grænsefladen, fastslog holdet, at der for negativt ladede partikler i vand er en tiltrækningskraft, der opvejer elektrostatisk frastødning ved store adskillelser, hvilket fører til klyngedannelse. For positivt ladede partikler i vand er denne opløsningsmiddeldrevne interaktion altid frastødende, og der dannes ingen klynger.

Denne effekt viste sig at være pH-afhængig; holdet var i stand til at kontrollere dannelsen (eller ej) af klynger for negativt ladede partikler ved at variere pH. Uanset pH dannede de positivt ladede partikler ikke klynger.

Naturligvis spekulerede holdet på, om effekten på ladede partikler kunne ændres, således at de positivt ladede partikler ville danne klynger, og de negative ville ikke. Ved at ændre opløsningsmidlet til alkoholer, såsom ethanol, som har en anden grænsefladeadfærd end vand, var det præcis, hvad de observerede:Positivt ladede aminerede silicapartikler dannede hexagonale klynger, hvorimod negativt ladet silica ikke gjorde det.

Ifølge forskerne indebærer denne undersøgelse en grundlæggende rekalibrering af forståelsen, som vil påvirke den måde, vi tænker på processer så forskellige som stabiliteten af ​​farmaceutiske og fine kemiske produkter eller den patologiske funktionsfejl, der er forbundet med molekylær aggregering i menneskelig sygdom. De nye resultater giver også bevis for evnen til at sondere egenskaber af det elektriske grænsefladepotentiale på grund af opløsningsmidlet, såsom dets fortegn og størrelse, som tidligere blev anset for umålelige.

Professor Madhavi Krishnan (Department of Chemistry, Oxford University), som ledede undersøgelsen, siger:"Jeg er virkelig meget stolt af mine to kandidatstuderende såvel som de studerende, som alle har arbejdet sammen for at flytte nålen på denne fundamentale opdagelse ."

Sida Wang (Department of Chemistry, Oxford University), en førsteforfatter på undersøgelsen, siger:"Jeg synes stadig, det er fascinerende at se disse partikler tiltrække, selv efter at have set dette tusinde gange."

Flere oplysninger: En ladningsafhængig langdistancekraft driver skræddersyet samling af stof i opløsning, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01621-5

Journaloplysninger: Natur nanoteknologi

Leveret af University of Oxford