Tiedemiehet huomaavat, että samankaltaiset hiukkaset voivat joskus vetää puoleensa – 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=""Elektrosolvaation voima" Veteen suspendoituneet negatiivisesti varautuneet piidioksidimikrohiukkaset vetävät puoleensa toisiaan muodostaen kuusikulmaisia ​​klustereita. (Kohtelias: Zhang Kang)”>

Pienestä pitäen meille opetetaan koulussa, että kuten varaukset - olivatpa molemmat positiivisia tai molemmat negatiivisia - hylkivät toisiaan, kun taas vastakkaiset varaukset vetävät puoleensa. Osoittautuu, että tietyissä olosuhteissa, kuten maksut, voivat itse asiassa houkutella toisiaan. Äskettäin julkaistussa teoksessa Luonnon nanoteknologiaOxfordin yliopiston tutkijat ovat osoittaneet samalla tavalla varautuneiden hiukkasten houkuttelevuuden liuoksissa.

Matka alkoi johtavalle tiedemiehelle Madhavi Krishnan 2000-luvun puolivälissä, kun hän törmäsi "like-latauksen vetovoimaongelma” tutkiessaan, kuinka DNA-molekyylit puristuvat rakomaisiin laatikoihin. DNA:n odotettiin litistyvän pannukakkumaiseen geometriaan, mutta sen sijaan se asettui laatikon reunan viereen. Ilman ulkoisia voimia, ainoa selitys oli, että DNA veti puoleensa laatikkoa, vaikka ne molemmat olivat negatiivisesti varautuneita. Siten syntyi kiinnostus siitä, kuinka vetovoima ja vastenmielisyys eivät välttämättä ole sitä, miltä ne näyttävät.

Samankaltaisen maksun ongelma ei kuitenkaan ole uusi tieto. Eri tutkijat ovat vuosien varrella yrittäneet selittää, kuinka samankaltaiset varaukset voivat vetää puoleensa, ja jotkut varhaisimmista töistä ovat peräisin irving langmuir takaisin 1930-luvulla.

Yksi alueista, joilla kaltaisen varauksen vetovoima nähdään eniten, on nesteissä ja kiinteän aineen vuorovaikutuksessa nesteiden kanssa. "Tapasin ongelman varhaisessa vaiheessa tiedemiehenä", Krishnan kertoo Fysiikan maailma. "Kun otetaan huomioon, että havainnot sisälsivät niin perustavanlaatuisen poikkeamisen nestefaasin perus- ja keskeisen ilmiön nykyisestä ymmärryksestä, ongelmasta pois kääntyminen ei koskaan ollut vaihtoehto."

Nesteiden samankaltaisten varausten vetovoima on nähty monta kertaa käyttämällä moniarvoisia ioneja, mutta nämä ovat tunnettuja ionilajeja, jotka on vapautettu DLVO-teoriasta (Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek) – odotuksesta, että samalla tavalla varautuneet molekyylit hylkivät pitkillä etäisyyksillä. kun van der Waalsin voimat ovat liian heikkoja vaikuttamaan molekyylien välisiin vuorovaikutuksiin.

Useilla molekyyleillä, joiden odotetaan noudattavan DLVO-teorian sääntöjä – kuten nukleiinihapoilla, liposomeilla, polymeereillä ja kolloidisilla hiukkasilla vesiväliaineissa – on kuitenkin osoitettu olevan jonkin verran vetovoimaa, kun samanlaisia ​​varauksia on läsnä.

Miksi jotkut kuten maksut houkuttelevat?

Nykyiset teoriat varauksen vetovoimasta liuottimissa pitävät nestettä jatkumona, mutta jättävät huomiotta joitain liuottimen hienompia yksityiskohtia ja sen vuorovaikutusta kiinteiden rajapintojen kanssa. Uudet teoriat viittaavat kuitenkin siihen, että liuottimen käyttäytyminen rajapinnassa vaikuttaa merkittävästi kahden varausta kantavan esineen kokonaisvuorovaikutusvapaaseen energiaan, kun ne lähestyvät toisiaan.

Krishnanin ja kollegoiden viimeisin tutkimus osoitti, että liuottimella on odottamaton mutta ratkaiseva rooli hiukkasten välisessä vuorovaikutuksessa ja se voi rikkoa varauksen käänteissymmetrian. Ryhmä havaitsi myös, että liuottimen aiheuttamien hiukkasten välisten vuorovaikutusten aste riippuu voimakkaasti liuoksen pH:sta.

Tutkijat käyttivät kirkaskenttämikroskopiaa tutkiakseen erilaisia ​​kiinteitä hiukkasia, mukaan lukien epäorgaaninen piidioksidi, polymeerihiukkaset ja polyelektrolyyteillä ja polypeptideillä päällystetyt pinnat, eri liuottimissa. He havaitsivat, että vesiliuoksessa negatiivisesti varautuneet hiukkaset vetivät puoleensa toisiaan ja muodostivat klustereita, kun taas positiivisesti varautuneet hiukkaset hylkivät. Kuitenkin liuottimissa, joiden rajapinnassa on käänteinen dipoli – kuten alkoholit – oli totta: positiivisesti varautuneet hiukkaset vetivät puoleensa toisiaan ja negatiivisesti varautuneet hiukkaset hylkivät.

"Löydökset viittaavat siihen, että perusperiaatteet, joiden uskomme hallitsevan molekyylien ja hiukkasten vuorovaikutusta ja jotka kohtaamme varhaisessa koulutuksessamme", Krishnan sanoo. "Tutkimus tuo esiin oikaisun, joka vaaditaan johonkin, jota pidämme "oppikirjaperiaatteena".

Syy siihen, että samankaltaiset varaukset vetävät puoleensa toisiaan, johtuu siitä, että liuottimella on suuri vaikutus hiukkasten välisiin vuorovaikutuksiin, mikä voi spontaanisti koota samalla tavalla varautuneet hiukkaset liuokseen. Tämä johtuu siitä, että sähkövarauksen yhteisvaikutus rajapinnassa ja paikallinen rajapintojen solvataatiorakenne synnyttävät "elektrosolvaation voiman" liuoksen negatiivisesti varautuneiden funktionaalisten ryhmien välille, jolloin hiukkaset houkuttelevat toisiaan ja klusterit.

Ryhmä havaitsi myös, että sekä vapaan energian panoksen merkki että suuruus voivat vaikuttaa siihen, muodostavatko hiukkaset itsekokoontuneita järjestelmiä (negatiivinen vapaa energia ohjaa spontaanisuutta ja itsekokoamista). Uskotaan, että nämä samankaltaiset lataukset ovat vastuussa nanometrin mittakaavan biologisista prosesseista, kuten makromolekyylien biomolekyylien laskostumisesta kehossa.

Kysyttäessä tutkimuksen vaikutuksista Krishnan sanoo, että "suurin avoin raja on se, kuinka tämä vuorovaikutus vaikuttaa biologiaan. Biologia on täynnä varausta. Nämä voimat ovat peruskallio, jolla molekyylien väliset vuorovaikutukset vaikuttavat tapaan, jolla ne tulevat yhteen, pakataan pieniin tiloihin ja lopulta suorittavat tehtävänsä.

"Nämä ovat jännittävimmät suunnat, ja toivon, että voimme jatkaa ainakin joitain kiinnostavia kysymyksiä yleisellä alueella", Krishnan lisää.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract/