Oamenii de știință descoperă că particulele cu încărcare similară pot atrage uneori – 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="„Forța de electrosolvație” Microparticulele de silice încărcate negativ suspendate în apă se atrag reciproc pentru a forma grupuri hexagonale. (Cu amabilitatea: Zhang Kang)”>

De la o vârstă fragedă, suntem învățați la școală că sarcinile similare – fie că ambele sunt pozitive, fie ambele negative – se vor respinge reciproc, în timp ce sarcinile opuse se atrag. Se pare că, în anumite condiții, taxele similare se pot atrage reciproc. Într-o lucrare publicată recent în Natură Nanotehnologia, cercetătorii de la Universitatea din Oxford au demonstrat atracția particulelor încărcate asemănătoare în soluții.

Călătoria a început pentru principalul om de știință Madhavi Krishnan la mijlocul anilor 2000, când a dat peste „problemă de atracție cu taxe similare” în timp ce studia modul în care moleculele de ADN s-au strâns în cutii asemănătoare cu fante. Era de așteptat ca ADN-ul să se aplatizeze într-o geometrie asemănătoare unei clătite, dar în schimb sa aliniat de-a lungul marginii cutiei. Fără a fi aplicate forțe externe, singura explicație a fost că ADN-ul a fost atras de cutie, în ciuda faptului că ambele erau încărcate negativ. Astfel, s-a născut interesul pentru modul în care atracția și repulsia nu sunt așa cum par.

Problema taxei similare nu este totuși cunoștințe noi. De-a lungul anilor, diferiți oameni de știință au încercat să explice modul în care taxele similare pot atrage, unele dintre cele mai vechi lucrări provenind din irving langmuir în anii 1930.

Una dintre zonele în care se observă cel mai mult atracția cu sarcini similare este în fluide și interacțiunea materiei solide cu fluidele. „Am întâlnit problema la începutul traiectoriei mele ca om de știință”, spune Krishnan Lumea fizicii. „Având în vedere că observațiile au implicat o abatere atât de fundamentală de la înțelegerea actuală a unui fenomen de bază și central în faza fluidă, renunțarea la problemă nu va fi niciodată o opțiune.”

Atracția unor sarcini similare în fluide a fost observată de multe ori folosind ioni multivalenți, dar acestea sunt specii ionice cunoscute care sunt scutite de teoria DLVO (Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek) – așteptarea că moleculele încărcate similare se vor respinge la distanțe lungi. când forțele van der Waals sunt prea slabe pentru a influența interacțiunile dintre molecule.

Cu toate acestea, o serie de molecule despre care se așteaptă să urmeze regulile teoriei DLVO - cum ar fi acizii nucleici, lipozomii, polimerii și particulele coloidale în medii apoase - s-a dovedit că posedă un anumit nivel de atracție atunci când sunt prezente sarcini similare.

De ce unele taxe similare atrag?

Teoriile actuale ale atracției sarcinii în solvenți consideră fluidul ca fiind un continuum, dar ignoră unele dintre detaliile mai fine ale solventului și modul în care acesta interacționează cu interfețele solide. Cu toate acestea, noile teorii sugerează că comportamentul solventului la o interfață are o influență semnificativă asupra energiei totale libere de interacțiune a două obiecte purtătoare de sarcină atunci când se apropie unul de celălalt.

Cel mai recent studiu de la Krishnan și colegii săi a arătat că solventul joacă un rol neprevăzut, dar crucial în interacțiunile dintre particule și poate rupe simetria inversării sarcinii. Echipa a descoperit, de asemenea, că gradul de interacțiuni între particule de care este responsabil solventul depinde în mare măsură de pH-ul soluției.

Cercetătorii au folosit microscopia cu câmp luminos pentru a examina o serie de particule solide, inclusiv silice anorganică, particule polimerice și suprafețe acoperite cu polielectroliți și polipeptide, în diverși solvenți. Ei au descoperit că într-o soluție apoasă, particulele încărcate negativ s-au atras unele pe altele și au format grupuri, în timp ce particulele încărcate pozitiv s-au respins. Cu toate acestea, în solvenții care au un dipol inversat la o interfață - cum ar fi alcoolii - opusul a fost adevărat: particulele încărcate pozitiv s-au atras unele pe altele și particulele încărcate negativ au fost respinse.

„Descoperirile ar sugera o recalibrare majoră a principiilor de bază pe care credem că guvernează interacțiunea moleculelor și particulelor și pe care le întâlnim într-un stadiu incipient al școlii și educației noastre”, spune Krishnan. „Studiul scoate la iveală o ajustare necesară pentru ceva pe care îl considerăm un „principiu manual”.

Motivul pentru care sarcinile asemănătoare se atrag una pe cealaltă este atribuită că solventul are o influență mare asupra interacțiunilor dintre particule, care poate asambla în mod spontan particulele încărcate asemănătoare în soluție. Acest lucru se datorează faptului că acțiunea concertată a sarcinii electrice la interfață și structura interfacială locală de solvație generează o „forță de electrosolvație” între grupurile funcționale încărcate negativ din soluție, determinând particulele să se atragă unele pe altele și să se aglomereze.

Echipa a mai descoperit că atât semnul, cât și magnitudinea contribuției de energie liberă pot avea un impact asupra faptului că particulele formează sisteme auto-asamblate (o energie liberă negativă va conduce spontaneitatea și auto-asamblarea). Se crede că aceste atracții cu încărcătură similară sunt responsabile pentru procesele biologice la scară nanometrică, cum ar fi plierea biomoleculară a macromoleculelor din organism.

Întrebat despre impactul studiului, Krishnan spune că „frontiera deschisă majoră este modul în care această interacțiune afectează biologia. Biologia este încărcată cu încărcătură. Aceste forțe sunt piatra de bază pe care se desfășoară interacțiunile dintre molecule, influențând modul în care acestea se unesc, sunt împachetate în spații mici și, în cele din urmă, își îndeplinesc funcția.”

„Acestea sunt cele mai interesante direcții și sper că vom putea urmări măcar câteva întrebări interesante în domeniul general”, adaugă Krishnan.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract/