Ученые обнаружили, что одноименно заряженные частицы иногда могут притягиваться

<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="«Электросольватационная сила» Отрицательно заряженные микрочастицы кремнезема, взвешенные в воде, притягиваются друг к другу, образуя гексагональные кластеры. (Любезно предоставлено: Чжан Кан)»>

С юных лет нас учат в школе, что одинаковые заряды – будь то положительные или оба отрицательные – отталкивают друг друга, а противоположные заряды притягиваются. Оказывается, при определенных условиях подобные заряды могут вместо этого притягивать друг друга. В работе, недавно опубликованной в Природа НанотехнологияИсследователи из Оксфордского университета продемонстрировали притяжение одноименно заряженных частиц в растворах.

Путешествие ведущего ученого началось Мадхави Кришнан еще в середине 2000-х, когда она наткнулась на «проблема притяжения подобных зарядов», изучая, как молекулы ДНК сжимаются в щелевидные коробки. Ожидалось, что ДНК примет форму блина, но вместо этого она выровнялась вдоль края коробки. Без применения каких-либо внешних сил единственным объяснением было то, что ДНК притянулась к коробке, несмотря на то, что они обе были заряжены отрицательно. Так родился интерес к тому, что притяжение и отталкивание могут быть не такими, какими кажутся.

Однако проблема подобных зарядов не является новым знанием. Различные учёные на протяжении многих лет пытались объяснить, как могут притягиваться одинаковые заряды. Ирвинг Лэнгмюр назад в 1930-х.

Одна из областей, где притяжение одноименных зарядов наблюдается больше всего, — это жидкости и взаимодействие твердого вещества с жидкостями. «Я столкнулся с этой проблемой на раннем этапе своей карьеры ученого», — рассказывает Кришнан. Мир физики. «Учитывая, что наблюдения повлекли за собой столь фундаментальный отход от нынешнего понимания основного и центрального явления в жидкой фазе, отказ от этой проблемы никогда не будет вариантом».

Притяжение одноименных зарядов в жидкостях наблюдалось много раз с использованием многовалентных ионов, но это известные виды ионов, которые исключены из теории DLVO (Дерягина-Ландау-Вервея-Овербика) - ожидание того, что молекулы с одинаковым зарядом будут отталкиваться на больших расстояниях. когда силы Ван-дер-Ваальса слишком слабы, чтобы влиять на взаимодействия между молекулами.

Однако было показано, что ряд молекул, которые, как ожидается, будут следовать правилам теории ДЛФО, такие как нуклеиновые кислоты, липосомы, полимеры и коллоидные частицы в водных средах, обладают некоторым уровнем притяжения при наличии одинаковых зарядов.

Почему некоторые подобные заряды притягиваются?

Современные теории притяжения зарядов в растворителях рассматривают жидкость как непрерывную среду, но упускают из виду некоторые более мелкие детали растворителя и то, как он взаимодействует с границами раздела твердых тел. Однако новые теории предполагают, что поведение растворителя на границе раздела оказывает существенное влияние на полную свободную энергию взаимодействия двух объектов, несущих заряд, когда они приближаются друг к другу.

Последнее исследование Кришнана и его коллег показало, что растворитель играет непредвиденную, но решающую роль в межчастичных взаимодействиях и может нарушить симметрию перезарядки. Команда также обнаружила, что степень межчастичных взаимодействий, за которые отвечает растворитель, сильно зависит от pH раствора.

Исследователи использовали микроскопию светлого поля для изучения ряда твердых частиц, включая неорганический кремнезем, полимерные частицы и поверхности, покрытые полиэлектролитами и полипептидами, в различных растворителях. Они обнаружили, что в водном растворе отрицательно заряженные частицы притягиваются друг к другу и образуют кластеры, а положительно заряженные частицы отталкиваются. Однако в растворителях, которые имеют инвертированный диполь на границе раздела, таких как спирты, все было наоборот: положительно заряженные частицы притягивались друг к другу, а отрицательно заряженные частицы отталкивались.

«Результаты предполагают серьезную перекалибровку основных принципов, которые, по нашему мнению, управляют взаимодействием молекул и частиц и с которыми мы сталкиваемся на ранних этапах обучения», — говорит Кришнан. «Исследование выявляет необходимость корректировки того, что мы считаем «учебным принципом».

Причина притяжения одноименных зарядов связана с тем, что растворитель оказывает большое влияние на межчастичные взаимодействия, которые могут самопроизвольно собирать одноименно заряженные частицы в растворе. Это связано с тем, что согласованное действие электрического заряда на границе раздела и локальная межфазная сольватная структура создают «силу электросольватации» между отрицательно заряженными функциональными группами в растворе, заставляя частицы притягиваться друг к другу и группироваться.

Команда также обнаружила, что как знак, так и величина вклада свободной энергии могут влиять на то, образуют ли частицы самоорганизующиеся системы (отрицательная свободная энергия приводит к спонтанности и самосборке). Считается, что эти притяжения одноименных зарядов ответственны за биологические процессы нанометрового масштаба, такие как биомолекулярное сворачивание макромолекул в организме.

Когда его спрашивают о влиянии исследования, Кришнан отвечает, что «основной открытый вопрос заключается в том, как это взаимодействие влияет на биологию. Биология полна заряда. Эти силы являются основой, на которой происходит взаимодействие между молекулами, влияя на то, как они собираются вместе, упаковываются в небольшие пространства и в конечном итоге выполняют свою функцию».

«Это самые интересные направления, и я надеюсь, что мы сможем заняться хотя бы некоторыми интересными вопросами в этой области», — добавляет Кришнан.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract/