"Motsatsladdningar attraherar; liknande laddningar stöter bort" är en grundläggande princip för grundläggande fysik. Men en ny studie från Oxford University, publicerad idag i Nature Nanotechnology , har visat att liknande laddade partiklar i lösning faktiskt kan attrahera varandra över långa avstånd. Lika överraskande fann teamet att effekten är olika för positivt och negativt laddade partiklar, beroende på lösningsmedlet.
Förutom att kullkasta långvariga föreställningar har dessa resultat omedelbara konsekvenser för en rad processer som involverar interpartikel- och intermolekylära interaktioner över olika längdskalor, inklusive självmontering, kristallisering och fasseparation.
Teamet av forskare, baserat på Oxfords kemiavdelning, fann att negativt laddade partiklar attraherar varandra vid stora separationer medan positivt laddade partiklar stöter bort, medan det omvända var fallet för lösningsmedel som alkoholer. Dessa fynd är överraskande eftersom de verkar motsäga den centrala elektromagnetiska principen att kraften mellan laddningar av samma tecken är frånstötande vid alla separationer.
Med hjälp av ljusfältsmikroskopi spårade teamet negativt laddade kiseldioxidmikropartiklar suspenderade i vatten och fann att partiklarna attraherade varandra för att bilda hexagonalt arrangerade kluster. Positivt laddade aminerade kiseldioxidpartiklar bildade dock inte kluster i vatten.
Med hjälp av en teori om interpartikelinteraktioner som tar hänsyn till lösningsmedlets struktur vid gränssnittet, slog teamet fast att för negativt laddade partiklar i vatten finns det en attraktionskraft som uppväger elektrostatisk repulsion vid stora separationer, vilket leder till klusterbildning. För positivt laddade partiklar i vatten är denna lösningsmedelsdrivna interaktion alltid frånstötande och inga kluster bildas.
Denna effekt visade sig vara pH-beroende; teamet kunde kontrollera bildandet (eller inte) av kluster för negativt laddade partiklar genom att variera pH. Oavsett pH bildade de positivt laddade partiklarna inga kluster.
Naturligtvis undrade teamet om effekten på laddade partiklar kunde ändras, så att de positivt laddade partiklarna skulle bilda kluster och de negativa inte skulle göra det. Genom att ändra lösningsmedlet till alkoholer, såsom etanol, som har ett annat gränssnittsbeteende än vatten, var det precis vad de observerade:Positivt laddade aminerade kiseldioxidpartiklar bildade hexagonala kluster, medan negativt laddad kiseldioxid inte gjorde det.
Enligt forskarna innebär den här studien en grundläggande omkalibrering av förståelsen som kommer att påverka hur vi tänker om processer så olika som stabiliteten hos farmaceutiska och finkemiska produkter eller den patologiska funktionsstörning som är förknippad med molekylär aggregering i mänskliga sjukdomar. De nya fynden ger också bevis för förmågan att undersöka egenskaperna hos den elektriska gränsytpotentialen på grund av lösningsmedlet, såsom dess tecken och storlek, som tidigare ansågs vara omätbara.
Professor Madhavi Krishnan (Department of Chemistry, Oxford University), som ledde studien, säger:"Jag är verkligen väldigt stolt över mina två doktorander, såväl som studenterna, som alla har arbetat tillsammans för att flytta nålen på denna grundläggande upptäckt ."
Sida Wang (Department of Chemistry, Oxford University), en förstaförfattare till studien, säger:"Jag tycker fortfarande att det är fascinerande att se dessa partiklar attrahera, till och med efter att ha sett detta tusen gånger."
Mer information: En laddningsberoende kraft med lång räckvidd driver skräddarsydd sammansättning av materia i lösning, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01621-5
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av University of Oxford
