Wetenschappers ontdekken dat gelijkgeladen deeltjes soms elkaar kunnen aantrekken – Physics World

Wetenschappers ontdekken dat gelijkgeladen deeltjes soms elkaar kunnen aantrekken – Physics World

Tijdstempel: 22 maart 2024 6:10 uur

<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="“Elektrosolvatiekracht” Negatief geladen silicamicrodeeltjes, gesuspendeerd in water, trekken elkaar aan en vormen zeshoekige clusters. (Met dank aan: Zhang Kang)”>
Negatief geladen deeltjes in water trekken elkaar aan en vormen zeshoekige clusters
“Elektrosolvatiekracht” Negatief geladen silicamicrodeeltjes, gesuspendeerd in water, trekken elkaar aan en vormen zeshoekige clusters. (Met dank aan Zhang Kang)

Vanaf jonge leeftijd leren we op school dat gelijke ladingen – of ze nu positief of allebei negatief zijn – elkaar zullen afstoten, terwijl tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Het blijkt dat onder bepaalde omstandigheden soortgelijke ladingen elkaar juist kunnen aantrekken. In werk dat onlangs is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologiehebben onderzoekers van de Universiteit van Oxford de aantrekkingskracht van gelijkgeladen deeltjes in oplossingen aangetoond.

De reis begon voor de hoofdwetenschapper Madhavi Krishnan halverwege de jaren 2000, toen ze de ‘like-charge-aantrekkingsprobleem'terwijl we bestudeerden hoe DNA-moleculen in spleetachtige dozen werden geperst. Er werd verwacht dat het DNA zou afvlakken tot een pannenkoekachtige geometrie, maar in plaats daarvan werd het uitgelijnd langs de rand van de doos. Zonder dat er externe krachten werden uitgeoefend, was de enige verklaring dat het DNA door de doos werd aangetrokken, ondanks dat ze allebei negatief geladen waren. Zo ontstond een interesse in hoe aantrekking en afstoting misschien niet zijn zoals ze lijken.

Het like-charge-probleem is echter geen nieuwe kennis. Verschillende wetenschappers hebben door de jaren heen geprobeerd uit te leggen hoe soortgelijke ladingen elkaar kunnen aantrekken, waarbij enkele van de vroegste werken afkomstig zijn irving langmuir terug in de jaren 1930.

Een van de gebieden waar de aantrekking van gelijke ladingen het meest wordt waargenomen, is binnen vloeistoffen en de interactie van vaste stoffen met vloeistoffen. “Ik kwam het probleem al vroeg in mijn traject als wetenschapper tegen”, vertelt Krishnan Natuurkunde wereld. “Gezien het feit dat de observaties zo’n fundamentele afwijking met zich meebrachten van het huidige begrip van een fundamenteel en centraal fenomeen in de vloeistoffase, zou het nooit een optie zijn om je van het probleem af te wenden.”

De aantrekking van soortgelijke ladingen in vloeistoffen is al vele malen waargenomen bij het gebruik van multivalente ionen, maar dit zijn bekende ionensoorten die zijn vrijgesteld van de DLVO-theorie (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) - de verwachting dat gelijkgeladen moleculen zich over grote afstanden zullen afstoten. wanneer van der Waals-krachten te zwak zijn om de interacties tussen moleculen te beïnvloeden.

Er is echter aangetoond dat een aantal moleculen waarvan wordt verwacht dat ze de regels van de DLVO-theorie volgen – zoals nucleïnezuren, liposomen, polymeren en colloïdale deeltjes in waterige media – een zekere mate van aantrekkingskracht bezitten wanneer soortgelijke ladingen aanwezig zijn.

Waarom trekken sommige soortgelijke ladingen aan?

De huidige theorieën over ladingsaantrekking binnen oplosmiddelen beschouwen de vloeistof als een continuüm, maar gaan voorbij aan enkele van de fijnere details van het oplosmiddel en hoe het interageert met vaste grensvlakken. Nieuwe theorieën suggereren echter dat het gedrag van het oplosmiddel op een grensvlak een significante invloed heeft op de totale interactievrije energie van twee ladingdragende objecten wanneer ze elkaar naderen.

Uit het laatste onderzoek van Krishnan en collega's blijkt dat het oplosmiddel een onvoorziene maar cruciale rol speelt in interacties tussen deeltjes en de symmetrie van de ladingsomkering kan doorbreken. Het team ontdekte ook dat de mate van interacties tussen de deeltjes waarvoor het oplosmiddel verantwoordelijk is, sterk afhangt van de pH van de oplossing.

De onderzoekers gebruikten helderveldmicroscopie om een ​​reeks vaste deeltjes te onderzoeken, waaronder anorganisch silica, polymere deeltjes en met polyelektrolyt en polypeptide gecoate oppervlakken, in verschillende oplosmiddelen. Ze ontdekten dat in een waterige oplossing negatief geladen deeltjes elkaar aantrokken en clusters vormden, terwijl positief geladen deeltjes elkaar afstootten. Bij oplosmiddelen met een omgekeerde dipool op het grensvlak – zoals alcoholen – gold echter het tegenovergestelde: positief geladen deeltjes trokken elkaar aan en negatief geladen deeltjes stootten elkaar af.

“De bevindingen suggereren een ingrijpende herkalibratie van basisprincipes waarvan wij geloven dat ze de interactie tussen moleculen en deeltjes beheersen, en die we in een vroeg stadium van onze scholing en opleiding tegenkomen”, zegt Krishnan. “Het onderzoek brengt een aanpassing aan het licht die nodig is van iets dat wij als een ‘leerboekprincipe’ beschouwen.”

De reden dat soortgelijke ladingen elkaar aantrekken wordt toegeschreven aan het feit dat het oplosmiddel een grote invloed heeft op de interacties tussen de deeltjes, waardoor de soortgelijk geladen deeltjes spontaan in de oplossing kunnen worden samengevoegd. Dit komt omdat de gezamenlijke actie van elektrische lading op het grensvlak en de lokale scheidingsstructuur een ‘elektrosolvatiekracht’ genereren tussen de negatief geladen functionele groepen in de oplossing, waardoor de deeltjes elkaar aantrekken en clusteren.

Het team ontdekte ook dat zowel het teken als de omvang van de bijdrage van vrije energie van invloed kunnen zijn op de vraag of de deeltjes zelf-assemblerende systemen vormen (een negatieve vrije energie zal spontaniteit en zelf-assemblage stimuleren). Er wordt gedacht dat deze aantrekkingen met gelijke lading verantwoordelijk zijn voor biologische processen op nanometerschaal, zoals de biomoleculaire vouwing van macromoleculen in het lichaam.

Gevraagd naar de impact van het onderzoek zegt Krishnan dat “de belangrijkste open grens is hoe deze interactie de biologie beïnvloedt. Biologie zit boordevol lading. Deze krachten vormen de basis waarop interacties tussen moleculen plaatsvinden, en beïnvloeden de manier waarop ze samenkomen, in kleine ruimtes worden verpakt en uiteindelijk hun functie uitoefenen.”

“Dit zijn de meest opwindende richtingen, en ik hoop dat we op zijn minst enkele interessante vragen op algemeen gebied kunnen onderzoeken”, voegt Krishnan toe.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld