Teadlased avastavad, et sarnase laenguga osakesed võivad mõnikord meelitada – 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=""Elektrosolatsioonijõud" Vees suspendeeritud negatiivselt laetud ränidioksiidi mikroosakesed tõmbavad üksteist ligi, moodustades kuusnurkseid klastreid. (Viisakalt: Zhang Kang)”>

Juba väikesest peale õpetatakse meile koolis, et sarnased laengud – olgu mõlemad positiivsed või mõlemad negatiivsed – tõrjuvad üksteist, samas kui vastupidised laengud tõmbavad ligi. Selgub, et teatud tingimustel võivad laengud hoopis teineteist meelitada. Hiljuti aastal avaldatud töös Loodus NanotehnoloogiaOxfordi ülikooli teadlased on näidanud sarnase laenguga osakeste ligitõmbavust lahustes.

Teekond algas juhtivteadlase jaoks Madhavi Krishnan 2000. aastate keskel, kui ta puutus kokkusarnase laengu külgetõmbeprobleem” uurides, kuidas DNA molekulid pressitakse pilulaadsetesse kastidesse. Eeldati, et DNA lameneb pannkoogi sarnaseks geomeetriaks, kuid selle asemel joondub see karbi servaga. Ilma igasuguste väliste jõududeta oli ainus seletus, et DNA tõmbas kasti külge, hoolimata sellest, et mõlemad olid negatiivselt laetud. Seega tekkis huvi selle vastu, kuidas külgetõmme ja tõrjumine ei pruugi olla sellised, nagu paistavad.

Sarnase laengu probleem ei ole siiski uus teadmine. Erinevad teadlased on aastate jooksul püüdnud selgitada, kuidas sarnased laengud võivad ligi tõmmata, kusjuures mõned varasemad tööd on pärit irving langmuir tagasi 1930. aastatel.

Üks valdkondi, kus sarnase laengu külgetõmmet on kõige rohkem näha, on vedelikes ja tahke aine koostoimes vedelikega. "Ma puutusin probleemiga kokku oma teadlasena juba varakult," räägib Krishnan Füüsika maailm. "Arvestades, et tähelepanekud tõid kaasa sellise põhimõttelise kõrvalekaldumise praegusest põhi- ja keskse nähtuse mõistmisest vedelfaasis, ei olnud probleemist eemaldumine kunagi võimalik."

Sarnaste laengute ligitõmbamist vedelikes on korduvalt nähtud mitmevalentsete ioonide kasutamisel, kuid need on teadaolevad ioonliigid, mis on vabastatud DLVO (Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek) teooriast – ootusest, et sarnase laenguga molekulid tõrjuvad pikkadel vahemaadel. kui van der Waalsi jõud on liiga nõrgad, et mõjutada molekulide vahelisi koostoimeid.

Siiski on näidatud, et mitmed molekulid, mis järgivad DLVO teooria reegleid, nagu nukleiinhapped, liposoomid, polümeerid ja kolloidsed osakesed vesikeskkonnas, omavad sarnaste laengute olemasolul teatud külgetõmbejõudu.

Miks mõned meeldivad tasud meelitavad?

Praegused teooriad laengu külgetõmbe kohta lahustites peavad vedelikku kontiinumiks, kuid jätavad tähelepanuta mõned lahusti peenemad detailid ja kuidas see suhtleb tahkete liidestega. Uued teooriad viitavad aga sellele, et lahusti käitumine liidesel mõjutab oluliselt kahe laengut kandva objekti kogu interaktsiooni vaba energiat, kui need üksteisele lähenevad.

Krishnani ja kolleegide viimane uuring näitas, et lahustil on osakestevahelises interaktsioonis ettenägematu, kuid ülioluline roll ja see võib lõhkuda laengu pöördumise sümmeetriat. Meeskond leidis ka, et lahusti poolt põhjustatud osakeste interaktsiooni määr sõltub tugevalt lahuse pH-st.

Teadlased kasutasid ereda välja mikroskoopiat, et uurida mitmesuguseid tahkeid osakesi, sealhulgas anorgaanilist ränidioksiidi, polümeerseid osakesi ning polüelektrolüütide ja polüpeptiididega kaetud pindu erinevates lahustites. Nad leidsid, et vesilahuses tõmbasid negatiivselt laetud osakesed üksteist ligi ja moodustasid klastreid, samas kui positiivselt laetud osakesed tõrjusid. Kuid lahustites, mille liidesel on ümberpööratud dipool (nt alkoholid), oli vastupidine: positiivselt laetud osakesed tõmbasid üksteist ja negatiivselt laetud osakesed tõrjusid.

"Leidud viitavad põhiprintsiipide olulisele ümberkalibreerimisele, mis meie arvates reguleerivad molekulide ja osakeste koostoimet ning millega puutume kokku oma kooli- ja hariduse varases staadiumis," ütleb Krishnan. "Uuring toob päevavalgele kohanduse, mis on vajalik millegi puhul, mida peame "õpiku põhimõtteks".

Põhjus, miks sarnased laengud üksteist ligi tõmbavad, on omistatud lahustile, millel on suur mõju osakestevahelistele interaktsioonidele, mis võivad sarnase laenguga osakesed lahusesse spontaanselt kokku panna. Selle põhjuseks on asjaolu, et elektrilaengu kooskõlastatud tegevus liideses ja kohalik liidese solvatatsioonistruktuur tekitavad lahuses olevate negatiivselt laetud funktsionaalrühmade vahel "elektrosolvatsioonijõu", pannes osakesed üksteist ligi tõmbama ja koonduma.

Meeskond leidis ka, et nii vaba energia panuse märk kui ka suurus võivad mõjutada seda, kas osakesed moodustavad ise kokkupandud süsteeme (negatiivne vaba energia juhib spontaansust ja isekoosnemist). Arvatakse, et need sarnase laengu atraktsioonid vastutavad nanomeetri skaala bioloogiliste protsesside eest, nagu makromolekulide biomolekulaarne voltimine kehas.

Kui küsiti uuringu mõju kohta, ütleb Krishnan, et "peamine avatud piir on see, kuidas see interaktsioon bioloogiat mõjutab. Bioloogia on laetud. Need jõud on aluskivim, millel toimivad molekulidevahelised vastasmõjud, mis mõjutavad nende kokkutulekut, pakitakse väikestesse ruumidesse ja täidavad lõpuks oma funktsiooni.

"Need on kõige põnevamad suunad ja ma loodan, et suudame üldises valdkonnas vähemalt mõne huvitava küsimusega tegeleda," lisab Krishnan.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract/