Forskare upptäcker att likaladdade partiklar ibland kan attrahera – Physics World

Forskare upptäcker att likaladdade partiklar ibland kan attrahera – Physics World

Tidsstämpel: 22 mars 2024 6:10

<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=""Elektrolösningskraft" Negativt laddade kiseldioxidmikropartiklar suspenderade i vatten attraherar varandra för att bilda hexagonala kluster. (Med tillstånd: Zhang Kang)”>
Negativt laddade partiklar i vatten attraherar för att bilda hexagonala kluster
"Elektrolösningskraft" Negativt laddade kiseldioxidmikropartiklar suspenderade i vatten attraherar varandra för att bilda hexagonala kluster. (Med tillstånd: Zhang Kang)

Från en ung ålder lär vi oss i skolan att lika laddningar – både positiva eller båda negativa – kommer att stöta bort varandra, medan motsatta laddningar attraherar. Det visar sig att under vissa förhållanden kan liknande laddningar faktiskt attrahera varandra istället. I arbete nyligen publicerat i Natur nanoteknik, har forskare vid University of Oxford visat attraktionen av lika laddade partiklar i lösningar.

Resan började för den ledande forskaren Madhavi Krishnan tillbaka i mitten av 2000-talet, när hon stötte på "liknande-laddning attraktion problem” medan man studerade hur DNA-molekyler klämdes in i slitsliknande lådor. Det förväntades att DNA:t skulle platta till en pannkaksliknande geometri, men i stället passade det längs kanten av lådan. Utan att några yttre krafter applicerades var den enda förklaringen att DNA:t drogs till lådan, trots att de båda var negativt laddade. Således föddes ett intresse för hur attraktion och avstötning kanske inte är som de verkar.

Problemet med liknande avgifter är dock inte ny kunskap. Olika forskare har genom åren försökt förklara hur liknande laddningar kan locka, med några av de tidigaste verken som kommer från irving langmuir tillbaka på 1930-talet.

Ett av de områden där attraktion med liknande laddning ses mest är inom vätskor och växelverkan mellan fasta ämnen och vätskor. "Jag stötte på problemet tidigt i min bana som vetenskapsman," berättar Krishnan Fysikvärlden. "Med tanke på att observationerna innebar en så grundläggande avvikelse från den nuvarande förståelsen av ett grundläggande och centralt fenomen i vätskefasen, kommer det aldrig att vara ett alternativ att vända sig bort från problemet."

Attraktionen av liknande laddningar i vätskor har setts många gånger med hjälp av multivalenta joner, men dessa är kända joniska arter som är undantagna från DLVO-teorin (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) - förväntningen att lika-laddade molekyler kommer att stöta bort på långa avstånd när van der Waals krafter är för svaga för att påverka interaktionerna mellan molekyler.

Ett antal molekyler som förväntas följa reglerna för DLVO-teorin – såsom nukleinsyror, liposomer, polymerer och kolloidala partiklar i vattenhaltiga medier – har dock visat sig ha en viss attraktionsnivå när liknande laddningar är närvarande.

Varför lockar vissa liknande avgifter?

Aktuella teorier om laddningsattraktion inom lösningsmedel anser att vätskan är ett kontinuum men förbiser några av de finare detaljerna i lösningsmedlet och hur det interagerar med fasta gränssnitt. Nya teorier tyder dock på att lösningsmedlets beteende vid ett gränssnitt har ett betydande inflytande på den totala interaktionsfria energin hos två laddningsbärande föremål när de närmar sig varandra.

Den senaste studien från Krishnan och kollegor visade att lösningsmedlet spelar en oförutsedd men avgörande roll i interpartikelinteraktioner och kan bryta laddningsomkastningssymmetrin. Teamet fann också att graden av interpartikelinteraktioner som lösningsmedlet är ansvarigt för beror starkt på lösningens pH.

Forskarna använde ljusfältsmikroskopi för att undersöka en rad fasta partiklar, inklusive oorganisk kiseldioxid, polymerpartiklar och polyelektrolyt- och polypeptidbelagda ytor, i olika lösningsmedel. De fann att negativt laddade partiklar i en vattenlösning attraherade varandra och bildade kluster, medan positivt laddade partiklar stötte bort. Men i lösningsmedel som har en inverterad dipol vid ett gränssnitt – såsom alkoholer – var det motsatta: positivt laddade partiklar attraherade varandra och negativt laddade partiklar stötte bort.

"Fynden skulle föreslå en stor omkalibrering av grundläggande principer som vi tror styr interaktionen mellan molekyler och partiklar, och som vi möter i ett tidigt skede i vår skolgång och utbildning", säger Krishnan. "Studien visar på en anpassning som krävs av något vi betraktar som en 'läroboksprincip'."

Orsaken till att liknande laddningar attraherar varandra beror på att lösningsmedlet har en stor inverkan på interpartikelinteraktionerna, som spontant kan samla de lika laddade partiklarna i lösningen. Detta beror på att den samordnade verkan av elektrisk laddning vid gränssnittet och den lokala gränsytlösningsstrukturen genererar en "elektrosolvatiseringskraft" mellan de negativt laddade funktionella grupperna i lösningen, vilket gör att partiklarna attraherar varandra och klusterar.

Teamet fann också att både tecknet och storleken på det fria energibidraget kan ha en inverkan på om partiklarna bildar självmonterade system (en negativ fri energi kommer att driva spontanitet och självmontering). Man tror att dessa liknande-laddningsattraktioner är ansvariga för biologiska processer i nanometerskala, såsom biomolekylär vikning av makromolekyler i kroppen.

På frågan om effekten av studien säger Krishnan att "den stora öppna gränsen är hur denna interaktion påverkar biologin. Biologi är laddad med laddning. Dessa krafter är berggrunden på vilken interaktioner mellan molekyler utspelar sig, som påverkar hur de kommer samman, packas in i små utrymmen och slutligen utför sin funktion."

"Detta är de mest spännande riktningarna, och jag hoppas för oss att kunna driva åtminstone några intressanta frågor i det allmänna området," tillägger Krishnan.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden