Wissenschaftler entdecken, dass sich gleich geladene Teilchen manchmal anziehen können – Physics World

Wissenschaftler entdecken, dass sich gleich geladene Teilchen manchmal anziehen können – Physics World

Zeitstempel: 22. März 2024, 6:10 Uhr

<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="„Elektrosolvatisierungskraft“ In Wasser suspendierte negativ geladene Silica-Mikropartikel ziehen sich gegenseitig an und bilden hexagonale Cluster. (Mit freundlicher Genehmigung von Zhang Kang)“>
Negativ geladene Teilchen im Wasser ziehen sich an und bilden hexagonale Cluster
„Elektrosolvatisierungskraft“ In Wasser suspendierte negativ geladene Silica-Mikropartikel ziehen sich gegenseitig an und bilden hexagonale Cluster. (Mit freundlicher Genehmigung von Zhang Kang)

Schon in jungen Jahren wird uns in der Schule beigebracht, dass sich gleichartige Ladungen – ob beide positiv oder beide negativ – gegenseitig abstoßen, während entgegengesetzte Ladungen sich anziehen. Es stellt sich heraus, dass sich gleiche Ladungen unter bestimmten Bedingungen stattdessen tatsächlich gegenseitig anziehen können. In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit in Natur NanotechnologieForscher der Universität Oxford haben die Anziehung gleich geladener Teilchen in Lösungen nachgewiesen.

Für den leitenden Wissenschaftler begann die Reise Madhavi Krishnan Mitte der 2000er Jahre stieß sie auf die „Problem der Gleichladungsanziehung“, während er untersuchte, wie sich DNA-Moleküle in schlitzartige Kästchen quetschten. Es wurde erwartet, dass sich die DNA zu einer pfannkuchenähnlichen Geometrie abflachen würde, doch stattdessen richtete sie sich entlang der Kante der Schachtel aus. Ohne die Einwirkung äußerer Kräfte bestand die einzige Erklärung darin, dass die DNA von der Box angezogen wurde, obwohl beide negativ geladen waren. So entstand ein Interesse daran, dass Anziehung und Abstoßung möglicherweise nicht so sind, wie sie scheinen.

Das Like-Charge-Problem ist allerdings keine neue Erkenntnis. Verschiedene Wissenschaftler haben im Laufe der Jahre versucht zu erklären, wie sich gleiche Ladungen anziehen können. Einige der frühesten Arbeiten stammen aus dieser Zeit Irving Langmuir in den 1930er Jahren.

Einer der Bereiche, in denen die Anziehung gleicher Ladungen am stärksten beobachtet wird, sind Flüssigkeiten und die Wechselwirkung fester Materie mit Flüssigkeiten. „Ich bin schon früh in meiner Laufbahn als Wissenschaftler auf das Problem gestoßen“, erzählt Krishnan Physik-Welt. „Angesichts der Tatsache, dass die Beobachtungen eine so grundlegende Abkehr vom aktuellen Verständnis eines grundlegenden und zentralen Phänomens in der flüssigen Phase darstellten, war eine Abkehr vom Problem nie eine Option.“

Die Anziehung gleicher Ladungen in Flüssigkeiten wurde schon oft bei der Verwendung mehrwertiger Ionen beobachtet, aber dabei handelt es sich um bekannte Ionenspezies, die von der DLVO-Theorie (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) ausgenommen sind – der Erwartung, dass sich gleich geladene Moleküle über große Entfernungen abstoßen wenn die Van-der-Waals-Kräfte zu schwach sind, um die Wechselwirkungen zwischen Molekülen zu beeinflussen.

Es wurde jedoch gezeigt, dass eine Reihe von Molekülen, von denen erwartet wird, dass sie den Regeln der DLVO-Theorie folgen – wie Nukleinsäuren, Liposomen, Polymere und kolloidale Partikel in wässrigen Medien – ein gewisses Maß an Anziehungskraft besitzen, wenn gleiche Ladungen vorhanden sind.

Warum ziehen manche Gleichladungen an?

Aktuelle Theorien zur Ladungsanziehung in Lösungsmitteln gehen davon aus, dass die Flüssigkeit ein Kontinuum ist, übersehen jedoch einige der feineren Details des Lösungsmittels und seiner Wechselwirkung mit festen Grenzflächen. Neue Theorien legen jedoch nahe, dass das Verhalten des Lösungsmittels an einer Grenzfläche einen erheblichen Einfluss auf die gesamte freie Wechselwirkungsenergie zweier ladungstragender Objekte hat, wenn diese sich einander nähern.

Die neueste Studie von Krishnan und Kollegen zeigte, dass das Lösungsmittel eine unvorhergesehene, aber entscheidende Rolle bei Wechselwirkungen zwischen Teilchen spielt und die Ladungsumkehrsymmetrie durchbrechen kann. Das Team fand außerdem heraus, dass der Grad der Wechselwirkungen zwischen den Partikeln, für die das Lösungsmittel verantwortlich ist, stark vom pH-Wert der Lösung abhängt.

Mithilfe der Hellfeldmikroskopie untersuchten die Forscher eine Reihe fester Partikel, darunter anorganische Kieselsäure, Polymerpartikel sowie mit Polyelektrolyten und Polypeptiden beschichtete Oberflächen, in verschiedenen Lösungsmitteln. Sie fanden heraus, dass sich in einer wässrigen Lösung negativ geladene Teilchen gegenseitig anzogen und Cluster bildeten, während sich positiv geladene Teilchen abstießen. In Lösungsmitteln, die an einer Grenzfläche einen invertierten Dipol aufweisen – wie zum Beispiel Alkohole – war jedoch das Gegenteil der Fall: Positiv geladene Teilchen zogen sich gegenseitig an und negativ geladene Teilchen stoßen sich ab.

„Die Ergebnisse deuten auf eine umfassende Neukalibrierung der Grundprinzipien hin, von denen wir glauben, dass sie die Interaktion von Molekülen und Partikeln bestimmen und die uns schon in einem frühen Stadium unserer Schul- und Ausbildung begegnen“, sagt Krishnan. „Die Studie bringt einen Anpassungsbedarf an etwas ans Licht, das wir als ‚Lehrbuchprinzip‘ betrachten.“

Der Grund dafür, dass sich gleiche Ladungen gegenseitig anziehen, wird darauf zurückgeführt, dass das Lösungsmittel einen großen Einfluss auf die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln hat, wodurch die gleich geladenen Partikel in der Lösung spontan zusammengefügt werden können. Dies liegt daran, dass die konzertierte Wirkung der elektrischen Ladung an der Grenzfläche und die lokale Solvatisierungsstruktur an der Grenzfläche eine „Elektrosolvatisierungskraft“ zwischen den negativ geladenen funktionellen Gruppen in der Lösung erzeugen, wodurch sich die Partikel gegenseitig anziehen und zusammenballen.

Das Team fand außerdem heraus, dass sowohl das Vorzeichen als auch die Größe des Beitrags der freien Energie einen Einfluss darauf haben können, ob die Teilchen selbstorganisierte Systeme bilden (eine negative freie Energie fördert Spontaneität und Selbstorganisation). Es wird angenommen, dass diese Anziehungskräfte gleicher Ladung für biologische Prozesse im Nanometerbereich verantwortlich sind, beispielsweise für die biomolekulare Faltung von Makromolekülen im Körper.

Auf die Frage nach den Auswirkungen der Studie sagt Krishnan: „Die größte offene Frage ist, wie sich diese Interaktion auf die Biologie auswirkt.“ Die Biologie ist voller Ladung. Diese Kräfte sind die Grundlage für die Wechselwirkungen zwischen Molekülen und beeinflussen die Art und Weise, wie sie zusammenkommen, in kleine Räume verpackt werden und letztendlich ihre Funktion erfüllen.“

„Das sind die spannendsten Richtungen, und ich hoffe, dass wir zumindest einigen interessanten Fragestellungen im allgemeinen Bereich nachgehen können“, fügt Krishnan hinzu.

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