Forskere opdager, at ens ladede partikler nogle gange kan tiltrække - Physics World

Forskere opdager, at ens ladede partikler nogle gange kan tiltrække - Physics World

Tidsstempel: 22. marts 2024 kl. 6:10

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract-physics-world-2.jpg" data-caption=""Elektrosolvationskraft" Negativt ladede silica-mikropartikler suspenderet i vand tiltrækker hinanden og danner sekskantede klynger. (Med høflighed: Zhang Kang)”>
Negativt ladede partikler i vand tiltrækker og danner sekskantede klynger
"Elektrosolvationskraft" Negativt ladede silica-mikropartikler suspenderet i vand tiltrækker hinanden og danner sekskantede klynger. (Med høflighed: Zhang Kang)

Fra en ung alder bliver vi lært i skolen, at ligesom ladninger - hvad enten de er positive eller begge negative - vil frastøde hinanden, mens modsatte ladninger tiltrækker. Det viser sig, at under visse betingelser kan lignende ladninger faktisk tiltrække hinanden i stedet for. I arbejde for nylig udgivet i Natur Nanoteknologi, har forskere ved University of Oxford demonstreret tiltrækningen af ​​ens ladede partikler i opløsninger.

Rejsen begyndte for den ledende videnskabsmand Madhavi Krishnan tilbage i midten af ​​2000'erne, da hun stødte på "tiltrækningsproblem med lignende afgift” mens de studerede, hvordan DNA-molekyler presses ind i spaltelignende kasser. Det var forventet, at DNA'et ville flade ud til en pandekagelignende geometri, men i stedet rettede det sig langs kanten af ​​æsken. Uden at der blev påført nogen ydre kræfter, var den eneste forklaring, at DNA'et blev tiltrukket af kassen, på trods af at de begge var negativt ladede. Således blev en interesse for, hvordan tiltrækning og frastødning måske ikke er, som de ser ud, født.

Like-charge-problemet er dog ikke ny viden. Forskellige videnskabsmænd har gennem årene forsøgt at forklare, hvordan lignende ladninger kan tiltrække, hvor nogle af de tidligste værker kommer fra irving langmuir tilbage i 1930'erne.

Et af de områder, hvor tiltrækning af lignende ladninger ses mest, er inden for væsker og samspillet mellem fast stof og væsker. "Jeg stødte på problemet tidligt i min bane som videnskabsmand," fortæller Krishnan Fysik verden. "I betragtning af, at observationerne indebar en så grundlæggende afvigelse fra den nuværende forståelse af et grundlæggende og centralt fænomen i den flydende fase, ville det aldrig være en mulighed at vende sig væk fra problemet."

Tiltrækningen af ​​lignende ladninger i væsker er blevet set mange gange ved brug af multivalente ioner, men disse er kendte ioniske arter, der er undtaget fra DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) teorien - forventningen om, at ens ladede molekyler vil frastøde på lange afstande når van der Waals kræfter er for svage til at påvirke vekselvirkningerne mellem molekyler.

Imidlertid har en række molekyler, der forventes at følge reglerne i DLVO-teorien - såsom nukleinsyrer, liposomer, polymerer og kolloide partikler i vandige medier - vist sig at have et vist niveau af tiltrækning, når lignende ladninger er til stede.

Hvorfor tiltrækker nogle lignende afgifter?

Nuværende teorier om ladningstiltrækning inden for opløsningsmidler betragter væsken som et kontinuum, men overser nogle af de finere detaljer i opløsningsmidlet, og hvordan det interagerer med faste grænseflader. Nye teorier tyder imidlertid på, at opløsningsmidlets opførsel ved en grænseflade har en betydelig indflydelse på den samlede interaktionsfri energi af to ladningsbærende objekter, når de nærmer sig hinanden.

Den seneste undersøgelse fra Krishnan og kolleger viste, at opløsningsmidlet spiller en uforudset, men afgørende rolle i interpartikelinteraktioner og kan bryde ladningsvendingssymmetrien. Holdet fandt også, at graden af ​​interpartikelinteraktioner, som opløsningsmidlet er ansvarlig for, afhænger stærkt af opløsningens pH.

Forskerne brugte lysfeltsmikroskopi til at undersøge en række faste partikler, herunder uorganisk silica, polymerpartikler og polyelektrolyt- og polypeptidovertrukne overflader, i forskellige opløsningsmidler. De fandt ud af, at negativt ladede partikler i en vandig opløsning tiltrak hinanden og dannede klynger, mens positivt ladede partikler frastødte. Men i opløsningsmidler, der har en omvendt dipol ved en grænseflade - såsom alkoholer - var det modsatte sandt: positivt ladede partikler tiltrak hinanden og negativt ladede partikler frastødte.

"Opdagelsen tyder på en større re-kalibrering af grundlæggende principper, som vi mener styrer samspillet mellem molekyler og partikler, og som vi møder på et tidligt tidspunkt i vores skolegang og uddannelse," siger Krishnan. "Undersøgelsen viser en justering, der kræves af noget, vi betragter som et 'lærebogsprincip'."

Årsagen til, at lignende ladninger tiltrækker hinanden, tilskrives, at opløsningsmidlet har stor indflydelse på interpartikel-vekselvirkningerne, som spontant kan samle de ens ladede partikler i opløsningen. Dette skyldes, at den samordnede virkning af elektrisk ladning ved grænsefladen og den lokale grænsefladeopløsningsstruktur genererer en "elektrosolvatiseringskraft" mellem de negativt ladede funktionelle grupper i opløsningen, hvilket får partiklerne til at tiltrække hinanden og klynge sig sammen.

Holdet fandt også ud af, at både tegnet og størrelsen af ​​det frie energibidrag kan have indflydelse på, om partiklerne danner selvsamlede systemer (en negativ fri energi vil drive spontanitet og selvsamling). Det menes, at disse attraktioner med lignende ladninger er ansvarlige for biologiske processer i nanometerskala, såsom biomolekylær foldning af makromolekyler i kroppen.

På spørgsmålet om virkningen af ​​undersøgelsen siger Krishnan, at "den største åbne grænse er, hvordan denne interaktion påvirker biologien. Biologi er fyldt med ladning. Disse kræfter er grundfjeldet, hvorpå interaktioner mellem molekyler udspiller sig, hvilket påvirker den måde, de kommer sammen, pakkes ind i små rum og i sidste ende udfører deres funktion."

"Dette er de mest spændende retninger, og jeg håber for os at være i stand til at forfølge i det mindste nogle interessante spørgsmål i det generelle område," tilføjer Krishnan.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden