Un nou studiu a schimbat un principiu fundamental al fizicii, arătând că particulele încărcate similar se pot atrage între ele în soluție, efectul variind între sarcini pozitive și negative, în funcție de solvent. Această descoperire are implicații importante pentru diferite procese științifice, inclusiv auto-asamblare și cristalizare. Cercetarea dezvăluie importanța structurii solventului la interfață în determinarea interacțiunilor dintre particule, contestând credințele de lungă durată și subliniind necesitatea de a reevalua înțelegerea noastră a forțelor electromagnetice. Credit: Zhang Kang
„Taxele opuse atrag; „Încărcăturile asemănătoare se resping reciproc” este un principiu fundamental al fizicii fundamentale. Cu toate acestea, un nou studiu de la Universitatea din Oxford, publicat recent în jurnal nanotehnologia naturii, El a demonstrat că particulele încărcate similar în soluție se pot atrage reciproc pe distanțe lungi.
De asemenea, surprinzător, echipa a descoperit că efectul diferă pentru particulele încărcate pozitiv și negativ, în funcție de solvent.
Pe lângă răsturnarea credințelor de lungă durată, aceste rezultate au implicații imediate pentru o serie de procese care implică interacțiuni intermoleculare și intermoleculare pe diferite scale de lungime, inclusiv auto-asamblare, cristalizare și separare de fază.
Echipa de cercetători, cu sediul la Departamentul de Chimie de la Universitatea din Oxford, a descoperit că particulele încărcate negativ se atrag reciproc la distanțe mari, în timp ce particulele încărcate pozitiv se resping reciproc, în timp ce opusul a fost cazul solvenților precum alcoolul.
Aceste rezultate sunt surprinzătoare deoarece par să contrazică principiul electromagnetic central, care afirmă că forța dintre sarcinile de același semn este respingătoare la toate separările.
Observații experimentale
Acum, folosind microscopia cu câmp luminos, echipa a urmărit particule minuscule de silice încărcate negativ suspendate în apă și a descoperit că particulele se atrag reciproc pentru a forma grupuri ordonate, hexagonale. Cu toate acestea, moleculele de amino-silice încărcate pozitiv nu au format grupuri în apă.
Folosind teoria interacțiunilor particulelor care ia în considerare structura solventului la interfață, echipa a demonstrat că pentru particulele încărcate negativ din apă, există o forță atractivă care depășește repulsia electrostatică la distanțe mari de separare, ceea ce duce la formarea de aglomerări. Pentru particulele încărcate pozitiv din apă, această reacție condusă de solvent este întotdeauna respingătoare și nu se formează agregate.
S-a descoperit că acest efect depinde de pH: echipa a reușit să controleze formarea (sau neformarea) grupurilor de particule încărcate negativ prin modificarea pH-ului. Indiferent de pH, moleculele încărcate pozitiv nu formează grupuri.
Efecte speciale ale solvenților și descoperiri suplimentare
Desigur, echipa s-a întrebat dacă ar fi posibil să se schimbe efectul asupra particulelor încărcate, astfel încât particulele încărcate pozitiv să formeze grupuri, în timp ce particulele încărcate negativ nu. Prin schimbarea solventului în alcooli, cum ar fi etanolul, care au un comportament de interfață diferit față de apa, exact asta au observat: moleculele de amino-silice încărcate pozitiv au format grupuri hexagonale, în timp ce silicea încărcată negativ nu a făcut-o.
Potrivit cercetătorilor, acest studiu implică o recalibrare fundamentală în înțelegerea care va avea un impact asupra modului în care ne gândim la diferite procese, cum ar fi stabilitatea produselor farmaceutice și chimice fine sau disfuncția patologică asociată cu agregarea moleculară în bolile umane. Noile rezultate oferă, de asemenea, dovezi ale capacității de a explora proprietățile potențialului electric interfacial generat de solvent, cum ar fi semnul și dimensiunea acestuia, care au fost considerate anterior a fi nemăsurabile.
„Sunt foarte mândru de studenții mei absolvenți, precum și de studenții de licență, care au lucrat cu toții împreună pentru a muta acul asupra acestei descoperiri fundamentale”, spune profesorul Madhavi Krishnan (Departamentul de Chimie, Universitatea din Oxford), care a condus studiu.
„Încă mi se pare fascinant să văd aceste particule atragându-se unele pe altele, chiar și după ce le-am văzut de o mie de ori”, spune Sida Wang (Departamentul de Chimie, Universitatea Oxford), primul autor al studiului.
Referință: „O forță dependentă de sarcină pe distanță lungă conduce asamblarea ad-hoc a materiei în soluție” de Syda Wang, Rowan Walker Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn și Madhavi Krishnan, 30 februarie 2024, Nanotehnologia naturii.
doi: 10.1038/s41565-024-01621-5
„Organizator. Scriitor general. Prieten al animalelor de pretutindeni. Specialist în cultură pop. Expert în internet amator. Explorator.”