Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν ότι τα όμοια φορτισμένα σωματίδια μπορούν μερικές φορές να έλκονται - Physics World

<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="«Δύναμη ηλεκτρολύσεως» Αρνητικά φορτισμένα μικροσωματίδια πυριτίου που αιωρούνται στο νερό ελκύουν το ένα το άλλο για να σχηματίσουν εξαγωνικά σμήνη. (Ευγενική προσφορά: Zhang Kang)”>

Από μικροί μας διδάσκουν στο σχολείο ότι παρόμοια φορτία – είτε θετικά είτε και τα δύο αρνητικά – θα απωθούν το ένα το άλλο, ενώ τα αντίθετα φορτία έλκονται. Αποδεικνύεται ότι υπό ορισμένες συνθήκες, όπως τα τέλη μπορούν πραγματικά να προσελκύσουν το ένα το άλλο. Σε εργασία που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Φύση Νανοτεχνολογία, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης απέδειξαν την έλξη ομο-φορτισμένων σωματιδίων σε διαλύματα.

Το ταξίδι ξεκίνησε για τον επικεφαλής επιστήμονα Madhavi Krishnan πίσω στα μέσα της δεκαετίας του 2000, όταν συνάντησε το «πρόβλημα έλξης ομοειδούς φορτίουενώ μελετούσε πώς τα μόρια του DNA συμπιέζονταν σε κουτιά που μοιάζουν με σχισμή. Αναμενόταν ότι το DNA θα ισοπεδωθεί σε μια γεωμετρία που μοιάζει με τηγανίτα, αλλά αντ' αυτού ευθυγραμμίστηκε κατά μήκος της άκρης του κουτιού. Χωρίς να ασκηθούν εξωτερικές δυνάμεις, η μόνη εξήγηση ήταν ότι το DNA έλκονταν από το κουτί, παρόλο που και τα δύο ήταν αρνητικά φορτισμένα. Έτσι, γεννήθηκε ένα ενδιαφέρον για το πώς η έλξη και η απώθηση μπορεί να μην είναι όπως φαίνονται.

Ωστόσο, το πρόβλημα της ομοειδούς χρέωσης δεν είναι νέα γνώση. Διαφορετικοί επιστήμονες κατά τη διάρκεια των ετών προσπάθησαν να εξηγήσουν πώς μπορούν να προσελκύσουν παρόμοια φορτία, με μερικά από τα πρώτα έργα να προέρχονται από Ίρβινγκ Λανγκμούρ πίσω στη δεκαετία του 1930.

Μία από τις περιοχές όπου παρατηρείται περισσότερο η έλξη ομοειδούς φορτίου είναι μέσα στα υγρά και η αλληλεπίδραση της στερεάς ύλης με τα ρευστά. «Αντιμετώπισα το πρόβλημα νωρίς στην πορεία μου ως επιστήμονας», λέει ο Krishnan Κόσμος Φυσικής. «Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι παρατηρήσεις συνεπάγονταν μια τόσο θεμελιώδη απόκλιση από την τρέχουσα κατανόηση ενός βασικού και κεντρικού φαινομένου στη ρευστή φάση, η απομάκρυνση από το πρόβλημα δεν θα ήταν ποτέ μια επιλογή».

Η έλξη παρόμοιων φορτίων σε ρευστά έχει παρατηρηθεί πολλές φορές χρησιμοποιώντας πολυσθενή ιόντα, αλλά αυτά είναι γνωστά ιοντικά είδη που εξαιρούνται από τη θεωρία DLVO (Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek) – την προσδοκία ότι τα παρόμοια φορτισμένα μόρια θα απωθούνται σε μεγάλες αποστάσεις όταν οι δυνάμεις van der Waals είναι πολύ αδύναμες για να επηρεάσουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων.

Ωστόσο, ορισμένα μόρια που αναμένεται να ακολουθούν τους κανόνες της θεωρίας DLVO – όπως νουκλεϊκά οξέα, λιποσώματα, πολυμερή και κολλοειδή σωματίδια σε υδατικά μέσα – έχει αποδειχθεί ότι διαθέτουν κάποιο επίπεδο έλξης όταν υπάρχουν παρόμοια φορτία.

Γιατί προσελκύουν ορισμένες χρεώσεις τύπου like;

Οι τρέχουσες θεωρίες έλξης φορτίου εντός των διαλυτών θεωρούν ότι το ρευστό είναι ένα συνεχές, αλλά παραβλέπουν μερικές από τις λεπτότερες λεπτομέρειες του διαλύτη και πώς αλληλεπιδρά με στερεές διεπαφές. Ωστόσο, νέες θεωρίες προτείνουν ότι η συμπεριφορά του διαλύτη σε μια διεπιφάνεια έχει σημαντική επίδραση στη συνολική ελεύθερη ενέργεια αλληλεπίδρασης δύο αντικειμένων που φέρουν φορτίο όταν πλησιάζουν το ένα το άλλο.

Η τελευταία μελέτη από τον Krishnan και τους συνεργάτες του έδειξε ότι ο διαλύτης παίζει έναν απρόβλεπτο αλλά κρίσιμο ρόλο στις διασωματιδιακές αλληλεπιδράσεις και μπορεί να σπάσει τη συμμετρία αντιστροφής φορτίου. Η ομάδα διαπίστωσε επίσης ότι ο βαθμός των διασωματιδιακών αλληλεπιδράσεων για τις οποίες είναι υπεύθυνος ο διαλύτης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το pH του διαλύματος.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μικροσκόπιο φωτεινού πεδίου για να εξετάσουν μια σειρά από στερεά σωματίδια, συμπεριλαμβανομένου του ανόργανου πυριτίου, των πολυμερών σωματιδίων και των επικαλυμμένων με πολυηλεκτρολύτη και πολυπεπτίδια επιφάνειες, μέσα σε διάφορους διαλύτες. Διαπίστωσαν ότι σε ένα υδατικό διάλυμα, τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια έλκονταν μεταξύ τους και σχημάτιζαν συστάδες, ενώ τα θετικά φορτισμένα σωματίδια απωθούνταν. Ωστόσο, σε διαλύτες που έχουν ένα ανεστραμμένο δίπολο σε μια διεπιφάνεια - όπως οι αλκοόλες - ίσχυε το αντίθετο: θετικά φορτισμένα σωματίδια έλκονταν το ένα το άλλο και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια απωθούνται.

«Τα ευρήματα θα υποδεικνύουν μια σημαντική εκ νέου βαθμονόμηση των βασικών αρχών που πιστεύουμε ότι διέπουν την αλληλεπίδραση μορίων και σωματιδίων και που συναντάμε σε πρώιμο στάδιο στο σχολείο και την εκπαίδευσή μας», λέει ο Krishnan. «Η μελέτη φέρνει στο φως μια προσαρμογή που απαιτείται για κάτι που θεωρούμε ως «αρχή του σχολικού βιβλίου».

Ο λόγος για τα παρόμοια φορτία που ελκύονται μεταξύ τους αποδίδεται στο ότι ο διαλύτης έχει μεγάλη επίδραση στις διασωματιδιακές αλληλεπιδράσεις, οι οποίες μπορούν να συναρμολογήσουν αυθόρμητα τα όμοια φορτισμένα σωματίδια στο διάλυμα. Αυτό οφείλεται στο ότι η συντονισμένη δράση του ηλεκτρικού φορτίου στη διεπιφάνεια και η τοπική διεπιφανειακή δομή επιδιαλυτοποίησης δημιουργούν μια «δύναμη ηλεκτροδιαλύσεως» μεταξύ των αρνητικά φορτισμένων λειτουργικών ομάδων στο διάλυμα, προκαλώντας τα σωματίδια να έλκονται μεταξύ τους και να συστέλλονται.

Η ομάδα διαπίστωσε επίσης ότι τόσο το πρόσημο όσο και το μέγεθος της συνεισφοράς της ελεύθερης ενέργειας μπορεί να έχουν αντίκτυπο στο αν τα σωματίδια σχηματίζουν αυτοσυναρμολογούμενα συστήματα (μια αρνητική ελεύθερη ενέργεια θα οδηγήσει στον αυθορμητισμό και στην αυτοσυναρμολόγηση). Θεωρείται ότι αυτές οι έλξεις ομοειδούς φορτίου είναι υπεύθυνες για βιολογικές διεργασίες κλίμακας νανομέτρων, όπως η βιομοριακή αναδίπλωση των μακρομορίων στο σώμα.

Όταν ρωτήθηκε για τον αντίκτυπο της μελέτης, ο Krishnan λέει ότι «το σημαντικότερο ανοιχτό σύνορο είναι πώς αυτή η αλληλεπίδραση επηρεάζει τη βιολογία. Η βιολογία είναι φορτωμένη με φορτίο. Αυτές οι δυνάμεις είναι το θεμέλιο στο οποίο διαδραματίζονται οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων, επηρεάζοντας τον τρόπο που ενώνονται, συσκευάζονται σε μικρούς χώρους και τελικά εκτελούν τη λειτουργία τους».

«Αυτές είναι οι πιο συναρπαστικές κατευθύνσεις και ελπίζω να μπορέσουμε να επιδιώξουμε τουλάχιστον μερικές ενδιαφέρουσες ερωτήσεις στον γενικό τομέα», προσθέτει ο Krishnan.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract/