Två likadana laddade sfäriska metallnanopartiklar med ojämlika laddningar i en 1:1 elektrolytlösning kommer att kontraintuitivt locka varandra. Kredit:dos Santos et al. © 2019 American Physical Society
När det gäller elektrisk laddning, det finns ett övergripande tema:motsatser lockar, och liknande avgifter stöta bort. Men i en ny studie, fysiker har gjort den överraskande upptäckten att två sfäriska liknande laddade metallnanopartiklar med ojämlika laddningar kan locka varandra i en utspädd elektrolytlösning. Anledningen, kortfattat, är att den starkare laddade nanopartikeln polariserar metallkärnan i den svagt laddade nanopartikeln, som förändrar samspelet mellan nanopartiklarna.
Forskarna, Alexandre P. dos Santos och Yan Levin vid Federal University of Rio Grande do Sul i Brasilien, har publicerat ett papper om like-charge-attraktionen i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .
"Vårt papper belyser ett mycket kontraintuitivt beteende som man tidigare trodde var omöjligt, "Berättade Levin Phys.org .
Detta är inte första gången som forskare har observerat attraktion mellan lika laddade partiklar. Redan 1980, forskning har visat att lika laddade partiklar kan locka varandra när de placeras i en elektrolytlösning som innehåller multivalenta motjoner. En multivalent motjon är en jon som kan förlora eller få mer än en elektron för att ta på en laddning som ± 2 eller ± 3, och laddningstecknet är motsatt det för en annan jon. Till exempel, aluminiumjonen Al 3+ är en multivalent motjon för kloridjonen Cl - , bildar tillsammans aluminiumklorid, AlCl 3 . När multivalenta motjoner är en del av en elektrolytlösning, deras laddningar kan fluktuera på ett korrelerat sätt, orsakar lika laddade partiklar i lösningen för att locka varandra.
Dock, i den nya demonstrationen, elektrolytlösningen är 1:1, betyder att den endast innehåller envärda motioner, d.v.s. joner som bara har ± 1 laddning. Eftersom elektrostatiska korrelationer mellan joner i 1:1 -lösningar är försumbara, det har allmänt antagits att lika laddade partiklar i dessa lösningar alltid stöter bort varandra. Till stöd för detta antagande, i den nya studien visade forskarna att lika laddade metallplattor i en 1:1 elektrolytlösning alltid avvisar varandra.
Tills nu, alla tidigare studier inom detta område har bara undersökt situationer där de två likadana partiklarna har samma laddningsstorlek. I den nya studien, forskarna tittade på vad som händer när de två partiklarna har ojämlika laddningar (även om de fortfarande har samma tecken).
De fann att när två partiklar med ojämlika laddningar i en 1:1 elektrolytlösning närmar sig varandra, nanopartikeln med den starkare laddningen kommer att polarisera metallkärnan i nanopartikeln med den svagare laddningen, vilket betyder att en majoritet av elektronerna i kärnan samlas på ena sidan av kärnan. Detta gör att nanopartikeln har en liten positiv laddning på ena sidan och en liten negativ laddning på den andra sidan. De polarisationsinducerade icke-enhetliga laddningarna på nanopartikelns kärna kan få de två ojämnt laddade nanopartiklarna att locka varandra, även om nanopartiklarna har samma totala laddningstecken. Observationen att attraktionen endast sker mellan sfäriska metall, olikt laddade nanopartiklar, och inte mellan metallplattor, indikerar vikten av krökning och närvaron av en central kärna för detta motintuitiva resultat.
Förutom att vara en intressant teoretisk upptäckt, resultaten kan också vara mycket användbara när de appliceras på guldnanopartiklar, som utvecklas för en mängd olika medicinska tillämpningar som cancerbehandling och läkemedelsleverans. Guldnanopartiklar har en stark affinitet för vissa biologiska ytor, såsom fosfolipidmembran, som omsluter celler. I den nya studien, forskarna visade att negativt laddade guldnanopartiklar generellt avvisas från de negativt laddade ytorna på fosfolipidmembran. Dock, under vissa förhållanden blir kraften mellan guldnanopartiklarna och membranen attraktiv. Forskarna planerar att ytterligare utforska dessa effekter och deras konsekvenser i framtida forskning.
"Mekanismen som vi beskrev kan också vara viktig för att förstå stabiliteten hos suspensioner av biologiska partiklar, "Levin sa." Den vanliga metoden för att stabilisera suspensioner av nanopartiklar är genom avstötning av lika laddning-i princip att syntetisera partiklar med ytladdning så att de stöter bort varandra och inte håller ihop. Här visar vi, dock, att om suspensionen är tillräckligt polydispers i storlek och laddning, liknande laddade nanopartiklar kan faktiskt locka varandra, hålla ihop och fälla ut. "
En av utmaningarna som forskarna mötte under sitt arbete var att kvantitativt modellera de nya resultaten, eftersom konventionella metoder är mycket beräkningsmässigt dyra. För att lösa detta problem, forskarna utvecklade en modifierad numerisk approximationsmetod för att beräkna krafter mellan nanopartiklar som arbetar storleksordningar snabbare än konventionella metoder. Den nya metoden erbjuder också fördelar för att studera krafterna mellan metallnanopartiklar och biologiska membran, samt för att utforska mer komplicerade lösningar. Forskarna planerar att ytterligare undersöka båda områdena i framtiden.
"I vår grupp, vi har en omfattande forskning om kolloidala system, som sträcker sig från simuleringar till teori, "Sa Levin." Hittills har vi teoretiskt undersökt effekterna av polarisering på metallpartiklar i 1:1 elektrolyt. Eftersom korrelationseffekterna i sådana lösningar inte är särskilt starka, sådana system är mottagliga för vår teoretiska behandling. Dock, i mer komplicerade lösningar som 3:1 elektrolyt, korrelationseffekterna mellan joner kommer att vara mycket viktiga och våra teoretiska verktyg räcker inte. I det här fallet utvecklar vi simuleringsmetoder för att studera interaktionen mellan metallnanopartiklar. "
© 2019 Science X Network