מדענים מגלים שחלקיקים בעלי מטען דומה יכולים לפעמים למשוך - עולם הפיזיקה

<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=""כוח פתרון אלקטרו" חלקיקי סיליקה בעלי מטען שלילי התלויים במים מושכים זה את זה ליצירת אשכולות משושה. (באדיבות: ג'אנג קאנג)">

מגיל צעיר, מלמדים אותנו בבית הספר שכמו מטענים - אם שניהם חיוביים או שניהם שליליים - ידחו זה את זה, בעוד שמטענים מנוגדים מושכים. מסתבר שבתנאים מסוימים, מטענים כמו יכולים למעשה למשוך אחד את השני במקום. בעבודה שפורסמה לאחרונה ב טבע ננוטכנולוגיה, חוקרים מאוניברסיטת אוקספורד הדגימו את המשיכה של חלקיקים בעלי מטען דומה בתמיסות.

המסע החל עבור המדען הראשי מדהאבי קרישנן באמצע שנות ה-2000, כאשר נתקלה ב"בעיית משיכה כמו תשלום" תוך כדי לימוד כיצד מולקולות DNA נדחסות לקופסאות דמויות חריצים. היה צפוי שה-DNA ישטוח לגיאומטריה דמוית פנקייק, אך במקום זאת הוא התיישר לצד קצה הקופסה. מבלי שהופעלו כוחות חיצוניים, ההסבר היחיד היה שה-DNA נמשך לקופסה, למרות ששניהם טעונים שלילי. לפיכך, נולד עניין כיצד משיכה ודחייה אינם כפי שהם נראים.

בעיית ה-like-charge היא לא ידע חדש. מדענים שונים לאורך השנים ניסו להסביר כיצד מטענים כמו יכולים למשוך, כאשר כמה מהעבודות המוקדמות ביותר הגיעו מ אירווינג לנגמויר עוד בשנות הארבעים.

אחד התחומים שבהם רואים הכי הרבה משיכה כמו מטען הוא בתוך נוזלים, והאינטראקציה של חומר מוצק עם נוזלים. "נתקלתי בבעיה בשלב מוקדם של מסלולי כמדען", אומר קרישנן עולם הפיזיקה. "בהתחשב בעובדה שהתצפיות כללו סטייה כה מהותית מההבנה הנוכחית של תופעה בסיסית ומרכזית בשלב הנוזל, ההתרחקות מהבעיה לעולם לא תהיה אופציה".

המשיכה של מטענים דומים בנוזלים נראתה פעמים רבות באמצעות יונים רב ערכיים, אך אלו הם מינים יוניים ידועים הפטורים מתאוריית ה-DLVO (Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek) - הציפייה שמולקולות טעונות דומות ידחו בטווחים ארוכים. כאשר כוחות ואן דר ואלס חלשים מכדי להשפיע על האינטראקציות בין מולקולות.

עם זאת, מספר מולקולות שצפויות לפעול לפי הכללים של תורת ה-DLVO - כגון חומצות גרעין, ליפוזומים, פולימרים וחלקיקים קולואידים במדיה מימית - הוכחו כבעלי רמת משיכה מסוימת כאשר קיימים מטענים דומים.

למה חלק מהחיובים מושכים?

תיאוריות נוכחיות של משיכת מטען בתוך ממיסים מחשיבות את הנוזל כרצף אך מתעלמות מחלק מהפרטים העדינים יותר של הממס וכיצד הוא יוצר אינטראקציה עם ממשקים מוצקים. עם זאת, תיאוריות חדשות מצביעות על כך שלהתנהגות הממס בממשק יש השפעה משמעותית על האנרגיה החופשית הכוללת של שני עצמים נושאי מטען כאשר הם מתקרבים זה לזה.

המחקר האחרון של קרישנהן ועמיתיו הראה כי הממס ממלא תפקיד בלתי צפוי אך מכריע באינטראקציות בין חלקיקים ויכול לשבור את סימטריית היפוך המטען. הצוות גם מצא שמידת האינטראקציות הבין-חלקיקיות שהממס אחראי לה תלויה מאוד ב-pH של התמיסה.

החוקרים השתמשו במיקרוסקופיה של שדה בהיר כדי לבחון מגוון של חלקיקים מוצקים, כולל סיליקה אנאורגנית, חלקיקים פולימריים ומשטחים מצופים פולי-אלקטרוליט ופוליפפטיד, בתוך ממיסים שונים. הם גילו שבתמיסה מימית חלקיקים בעלי מטען שלילי משכו זה את זה ויצרו צבירים, בעוד שחלקיקים בעלי מטען חיובי נדחו. עם זאת, בממסים שיש להם דיפול הפוך בממשק - כמו אלכוהול - ההפך היה הנכון: חלקיקים בעלי מטען חיובי משכו זה את זה וחלקיקים בעלי מטען שלילי נהדפו.

"הממצאים יצביעו על כיול מחדש גדול של עקרונות בסיסיים שאנו מאמינים ששולטים באינטראקציה של מולקולות וחלקיקים, ושאנו פוגשים בשלב מוקדם בלימודים ובחינוך שלנו", אומר קרישנן. "המחקר מביא לידי ביטוי התאמה הנדרשת למשהו שאנו רואים כ'עקרון ספר לימוד'."

הסיבה לכך שהמטענים הדומים מושכים זה את זה מיוחסת לכך שלממס יש השפעה רבה על האינטראקציות הבין-חלקיקיות, שיכולות להרכיב באופן ספונטני את החלקיקים הטעונים בתמיסה. הסיבה לכך היא שהפעולה המאוחדת של המטען החשמלי בממשק ומבנה פתרון הממשק המקומי מייצרים "כוח פתרון אלקטרוני" בין הקבוצות הפונקציונליות הטעונות שלילי בתמיסה, מה שגורם לחלקיקים למשוך זה את זה ולהצטבר.

הצוות גם מצא שגם לסימן וגם לגודל של תרומת האנרגיה החופשית יכולה להיות השפעה על האם החלקיקים יוצרים מערכות בהרכבה עצמית (אנרגיה חופשית שלילית תניע ספונטניות והרכבה עצמית). נהוג לחשוב שהאטרקציות האלה בעלות מטען דומה אחראיות לתהליכים ביולוגיים בקנה מידה של ננומטר, כמו קיפול ביו-מולקולרי של מקרומולקולות בגוף.

כשנשאל על השפעת המחקר, קרישנן אומר כי "הגבול הפתוח העיקרי הוא כיצד האינטראקציה הזו משפיעה על הביולוגיה. הביולוגיה עמוסה במטען. הכוחות הללו הם הסלע שעליו מתרחשות אינטראקציות בין מולקולות, המשפיעות על האופן שבו הן מתחברות יחד, נארזות בחללים קטנים ובסופו של דבר ממלאות את תפקידן".

"אלה הכיוונים המרגשים ביותר, ואני מקווה בשבילנו שנוכל להמשיך לפחות בכמה שאלות מעניינות בתחום הכללי", מוסיף קרישנן.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract/