Naukowcy odkrywają, że podobnie naładowane cząstki mogą czasami się przyciągać – Świat Fizyki

<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="„Siła elektrosolwatacji” Ujemnie naładowane mikrocząstki krzemionki zawieszone w wodzie przyciągają się, tworząc sześciokątne skupiska. (Dzięki uprzejmości: Zhang Kang)”>

Od najmłodszych lat w szkole uczy się nas, że ładunki podobne – zarówno dodatnie, jak i ujemne – będą się odpychać, podczas gdy ładunki przeciwne się przyciągają. Okazuje się, że pod pewnymi warunkami podobne ładunki mogą się faktycznie przyciągać. W niedawno opublikowanej pracy pt Natura Nanotechnologianaukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego wykazali przyciąganie podobnie naładowanych cząstek w roztworach.

Podróż głównego naukowca rozpoczęła się Madhavi Krishnan w połowie 2000 roku, kiedy natknęła się na „problem przyciągania ładunków podobnych” podczas badania, jak cząsteczki DNA wciskały się w przypominające szczeliny pudełka. Oczekiwano, że DNA spłaszczy się, tworząc geometrię przypominającą naleśnik, ale zamiast tego ułoży się wzdłuż krawędzi pudełka. Jedynym wyjaśnieniem bez użycia jakichkolwiek sił zewnętrznych było to, że DNA zostało przyciągnięte do pudełka, mimo że oba były naładowane ujemnie. W ten sposób narodziło się zainteresowanie tym, jak przyciąganie i odpychanie mogą nie być takie, jakimi się wydają.

Problem podobnego ładunku nie jest jednak nową wiedzą. Na przestrzeni lat różni naukowcy próbowali wyjaśnić, w jaki sposób podobne ładunki mogą się przyciągać, o czym świadczą jedne z najwcześniejszych prac Irvinga Langmuira w latach czterdziestych.

Jednym z obszarów, w którym najczęściej obserwuje się przyciąganie ładunków podobnych, są płyny i interakcja materii stałej z płynami. „Napotkałem ten problem na początku mojej kariery naukowca” – mówi Krishnan Świat Fizyki. „Biorąc pod uwagę, że obserwacje pociągały za sobą tak fundamentalne odejście od obecnego rozumienia podstawowego i centralnego zjawiska w fazie płynnej, odwrócenie się od problemu nigdy nie wchodziło w grę”.

Przyciąganie podobnych ładunków w płynach było wielokrotnie obserwowane przy użyciu jonów wielowartościowych, ale są to znane rodzaje jonów, które nie podlegają teorii DLVO (Derjaguin – Landau – Verwey – Overbeek) – oczekiwaniu, że cząsteczki o podobnym ładunku będą odpychać się na duże odległości gdy siły van der Waalsa są zbyt słabe, aby wpływać na interakcje między cząsteczkami.

Jednakże wykazano, że wiele cząsteczek, które mają podlegać zasadom teorii DLVO – takich jak kwasy nukleinowe, liposomy, polimery i cząstki koloidalne w środowisku wodnym – wykazuje pewien poziom przyciągania, gdy obecne są podobne ładunki.

Dlaczego niektóre ładunki podobne się przyciągają?

Obecne teorie przyciągania ładunku w rozpuszczalnikach uznają płyn za kontinuum, ale pomijają niektóre drobniejsze szczegóły rozpuszczalnika i jego interakcji z fazami stałymi. Jednak nowe teorie sugerują, że zachowanie rozpuszczalnika na granicy faz ma znaczący wpływ na całkowitą energię swobodną interakcji dwóch obiektów przenoszących ładunek, gdy zbliżają się do siebie.

Najnowsze badanie Krishnana i współpracowników wykazało, że rozpuszczalnik odgrywa nieprzewidzianą, ale kluczową rolę w interakcjach między cząsteczkami i może złamać symetrię odwrócenia ładunku. Zespół odkrył również, że stopień interakcji międzycząsteczkowych, za który odpowiada rozpuszczalnik, zależy w dużym stopniu od pH roztworu.

Naukowcy wykorzystali mikroskopię w jasnym polu do zbadania szeregu cząstek stałych, w tym nieorganicznej krzemionki, cząstek polimerowych oraz powierzchni pokrytych polielektrolitem i polipeptydem, w różnych rozpuszczalnikach. Odkryli, że w roztworze wodnym cząstki naładowane ujemnie przyciągają się i tworzą skupiska, podczas gdy cząstki naładowane dodatnio odpychają się. Jednak w rozpuszczalnikach, które mają odwrócony dipol na granicy faz – takich jak alkohole – było odwrotnie: cząstki naładowane dodatnio przyciągały się, a cząstki naładowane ujemnie odpychały się.

„Odkrycia sugerują poważną ponowną kalibrację podstawowych zasad, które naszym zdaniem rządzą interakcjami cząsteczek i cząstek i z którymi spotykamy się na wczesnym etapie naszej edukacji” – mówi Krishnan. „Badanie ujawniło konieczność dostosowania czegoś, co uważamy za „zasadę podręcznikową”.

Przyczynę wzajemnego przyciągania się jednakowych ładunków przypisuje się rozpuszczalnikowi mającemu duży wpływ na oddziaływania międzycząstkowe, które mogą samorzutnie łączyć cząstki o podobnym ładunku w roztworze. Dzieje się tak, ponieważ wspólne działanie ładunku elektrycznego na granicy faz i lokalna międzyfazowa struktura solwatacyjna generują „siłę elektrosolwatacyjną” pomiędzy ujemnie naładowanymi grupami funkcyjnymi w roztworze, powodując wzajemne przyciąganie się cząstek i gromadzenie się.

Zespół odkrył również, że zarówno znak, jak i wielkość wkładu energii swobodnej mogą mieć wpływ na to, czy cząstki tworzą układy samoorganizujące się (ujemna energia swobodna będzie sprzyjać spontaniczności i samoorganizacji). Uważa się, że te przyciągania ładunków podobnych są odpowiedzialne za procesy biologiczne w skali nanometrowej, takie jak biomolekularne fałdowanie makrocząsteczek w organizmie.

Zapytany o wpływ badania Krishnan odpowiada, że ​​„główną otwartą granicą jest wpływ tej interakcji na biologię. Biologia jest obciążona ładunkiem. Siły te stanowią podstawę, na której rozgrywają się interakcje między cząsteczkami, wpływając na sposób, w jaki się łączą, są upakowane w małych przestrzeniach i ostatecznie spełniają swoją funkcję.

„To najbardziej ekscytujące kierunki i mam nadzieję, że uda nam się odpowiedzieć na przynajmniej kilka interesujących pytań z zakresu ogólnego” – dodaje Krishnan.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract/