科学者たちは、同様に荷電した粒子が時々引き合う可能性があることを発見 – 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="「電気溶媒和力」 水中に懸濁したマイナスに帯電したシリカ微粒子は互いに引きつけ合い、六角形のクラスターを形成します。 （提供：張康）”>

私たちは幼い頃から学校で、同じ電荷（両方がプラスでもマイナスでも）は互いに反発し、反対の電荷は引き合うと教えられます。特定の条件下では、同様の電荷が実際には互いに引き付け合う可能性があることが判明しました。最近出版された作品で 自然ナノテクノロジー、オックスフォード大学の研究者らは、溶液中の同様に荷電した粒子の引力を実証しました。

主任科学者の旅が始まりました マダビ・クリシュナン 2000 年代半ばに彼女は「似た料金引力問題」と、DNA 分子がどのようにしてスリット状の箱に押し込まれるかを研究しながら研究しました。 DNA はパンケーキのような形状に平らになることが予想されましたが、代わりに箱の端に沿って整列しました。外力が何も加えられていない場合、両方ともマイナスに帯電しているにもかかわらず、DNA がボックスに引き寄せられたという唯一の説明が得られます。したがって、引力と斥力がどのように見かけどおりに存在しないのかについての興味が生まれました。

ただし、同額料金の問題は新しい知識ではありません。長年にわたってさまざまな科学者が、どのようにして同様の電荷が引き寄せられるのかを説明しようとしてきました。その初期の研究のいくつかは、 アーヴィングラングミュア 1930年代に戻って。

同様の電荷の引力が最も見られる領域の 1 つは、流体内、および固体物質と流体の相互作用です。 「私は科学者としてのキャリアの早い段階でこの問題に遭遇しました」とクリシュナンは語る 物理学の世界。 「この観察が、流体相における基本的かつ中心的な現象についての現在の理解からの根本的な逸脱を伴うものであることを考慮すると、問題から目を背けるという選択肢は決してあり得ません。」

流体中の同様の電荷の引力は、多価イオンを使用して何度も観察されていますが、これらは既知のイオン種であり、DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) 理論、つまり、同様の電荷を持った分子が長距離で反発するという期待から除外されています。ファンデルワールス力が弱すぎて分子間の相互作用に影響を与えない場合。

しかし、核酸、リポソーム、ポリマー、水性媒体中のコロイド粒子など、DLVO 理論の規則に従うと予想される多くの分子は、同様の電荷が存在する場合、ある程度の引力を持つことが示されています。

なぜ同様の請求が引き寄せられるのでしょうか?

溶媒内の電荷引力に関する現在の理論では、流体は連続体であると考えられていますが、溶媒のより詳細な部分や溶媒が固体界面とどのように相互作用するかが見落とされています。しかし、新しい理論では、界面での溶媒の挙動が、電荷を帯びた 2 つの物体が互いに接近したときの相互作用自由エネルギーの合計に大きな影響を与えることが示唆されています。

クリシュナンらによる最新の研究は、溶媒が粒子間相互作用において予期せぬが重要な役割を果たし、電荷反転対称性を壊す可能性があることを示した。研究チームはまた、溶媒が関与する粒子間相互作用の程度が溶液の pH に大きく依存することも発見しました。

研究者らは、明視野顕微鏡を使用して、さまざまな溶媒内の無機シリカ、ポリマー粒子、高分子電解質やポリペプチドでコーティングされた表面などのさまざまな固体粒子を検査しました。彼らは、水溶液中では、負に帯電した粒子が互いに引きつけてクラスターを形成する一方、正に帯電した粒子は反発することを発見した。しかし、アルコールなど、界面に逆双極子を持つ溶媒では、正に帯電した粒子が互いに引き付けられ、負に帯電した粒子が反発するという逆の現象が起こりました。

「今回の発見は、分子と粒子の相互作用を支配すると私たちが信じており、学校教育や教育の初期段階で遭遇する基本原理が大幅に再調整されることを示唆しているでしょう」とクリシュナン氏は言う。 「この研究は、私たちが『教科書の原則』と見なしているものに必要な調整を明らかにしました。」

同じような電荷を持った粒子が互いに引き合う理由は、溶媒が粒子間相互作用に大きな影響を及ぼし、溶液中で同じような電荷を帯びた粒子を自発的に集合させることができるためであると考えられています。これは、界面の電荷と局所的な界面溶媒和構造の協調作用により、溶液中の負に帯電した官能基間に「電気溶媒和力」が発生し、粒子が互いに引きつけ合ってクラスター化するためです。

研究チームはまた、自由エネルギーの寄与の符号と大きさの両方が、粒子が自己集合システムを形成するかどうかに影響を与える可能性があることも発見しました（負の自由エネルギーは自発性と自己集合を促進します）。これらの同様の電荷の引力は、体内での高分子の生体分子の折り畳みなど、ナノメートルスケールの生物学的プロセスに関与していると考えられています。

研究の影響について尋ねられたとき、クリシュナン氏は次のように述べています。「大きな未開拓の領域は、この相互作用が生物学にどのような影響を与えるかです。生物学には電荷が詰まっています。これらの力は、分子間の相互作用が行われる基盤であり、それらが結合し、小さな空間に詰め込まれ、最終的に機能を実行する方法に影響を与えます。」

「これらは最もエキサイティングな方向性であり、一般的な分野で少なくともいくつかの興味深い問題を追求できることを願っています」とクリシュナン氏は付け加えた。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract/