นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าบางครั้งอนุภาคที่มีประจุเหมือนกันสามารถดึงดูดได้ - โลกฟิสิกส์

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าบางครั้งอนุภาคที่มีประจุเหมือนกันสามารถดึงดูดได้ - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 22 มีนาคม 2024 6:10 น

<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="“แรงไฟฟ้าละลาย” อนุภาคไมโครซิลิกาที่มีประจุลบที่แขวนลอยอยู่ในน้ำจะดึงดูดกันจนกลายเป็นกระจุกหกเหลี่ยม (เอื้อเฟื้อโดย: จาง คัง)”>
อนุภาคที่มีประจุลบในน้ำจะดึงดูดกันก่อตัวเป็นกระจุกหกเหลี่ยม
“แรงไฟฟ้าละลาย” อนุภาคไมโครซิลิกาที่มีประจุลบที่แขวนลอยอยู่ในน้ำจะดึงดูดกันจนกลายเป็นกระจุกหกเหลี่ยม (เอื้อเฟื้อโดย: จาง คัง)

ตั้งแต่อายุยังน้อย เราได้รับการสอนในโรงเรียนว่า ชอบประจุ ไม่ว่าจะบวกหรือลบทั้งคู่ จะผลักกัน ในขณะที่ประจุตรงข้ามจะดึงดูดกัน ปรากฎว่าภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง เช่น ประจุสามารถดึงดูดกันแทนได้ ในงานที่เพิ่งตีพิมพ์ใน นาโนเทคโนโลยีธรรมชาตินักวิจัยจากมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ดได้แสดงให้เห็นถึงความดึงดูดของอนุภาคที่มีประจุเหมือนกันในสารละลาย

การเดินทางเริ่มต้นขึ้นสำหรับหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ มาธาวี กฤษณะ ย้อนกลับไปในช่วงกลางทศวรรษ 2000 เมื่อเธอได้พบกับ “ปัญหาแรงดึงดูดแบบไลค์ชาร์จ” พร้อมศึกษาว่าโมเลกุล DNA ถูกบีบลงในกล่องคล้ายกรีดได้อย่างไร คาดว่า DNA จะแบนราบเป็นรูปทรงคล้ายแพนเค้ก แต่กลับเรียงชิดขอบกล่องแทน หากไม่มีแรงภายนอกใดๆ คำอธิบายเดียวก็คือ DNA ถูกดึงดูดไปที่กล่อง แม้ว่าทั้งสองจะมีประจุลบก็ตาม ดังนั้นความสนใจว่าแรงดึงดูดและความรังเกียจอาจไม่เกิดขึ้นอย่างที่เห็น

ปัญหาไลค์ชาร์จไม่ใช่ความรู้ใหม่ ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์หลายๆ คนพยายามอธิบายว่าประจุที่คล้ายกันสามารถดึงดูดได้อย่างไร โดยผลงานชิ้นแรกๆ บางชิ้นมาจาก เออร์วิงลังเมียร์ ย้อนกลับไปในช่วงทศวรรษที่ 1930

พื้นที่หนึ่งที่แรงดึงดูดประจุเหมือนกันมากที่สุดคือภายในของเหลว และปฏิกิริยาระหว่างสสารของแข็งกับของเหลว “ฉันพบปัญหาตั้งแต่เริ่มต้นเส้นทางการเป็นนักวิทยาศาสตร์” กฤษนันกล่าว โลกฟิสิกส์- “เมื่อพิจารณาถึงข้อสังเกตที่ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนพื้นฐานจากความเข้าใจปัจจุบันเกี่ยวกับปรากฏการณ์พื้นฐานและศูนย์กลางในระยะของเหลว การหันหลังให้กับปัญหาจะไม่มีทางเป็นทางเลือก”

การดึงดูดประจุที่คล้ายกันในของเหลวมีผู้พบเห็นหลายครั้งโดยใช้ไอออนหลายวาเลนท์ แต่สิ่งเหล่านี้เป็นที่รู้กันว่าไอออนิกชนิดที่ได้รับการยกเว้นจากทฤษฎี DLVO (Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek) – ความคาดหวังว่าโมเลกุลที่มีประจุคล้ายจะผลักกันในระยะไกล เมื่อแรงของแวนเดอร์วาลส์อ่อนเกินกว่าที่จะมีอิทธิพลต่ออันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล

อย่างไรก็ตาม โมเลกุลจำนวนหนึ่งที่คาดว่าจะเป็นไปตามกฎของทฤษฎี DLVO เช่น กรดนิวคลีอิก ไลโปโซม โพลีเมอร์ และอนุภาคคอลลอยด์ในตัวกลางที่เป็นน้ำ ได้รับการแสดงให้เห็นว่ามีแรงดึงดูดในระดับหนึ่งเมื่อมีประจุที่คล้ายกันอยู่

เหตุใดประจุบางอย่างจึงดึงดูด?

ทฤษฎีแรงดึงดูดประจุภายในตัวทำละลายในปัจจุบันถือว่าของไหลมีความต่อเนื่อง แต่มองข้ามรายละเอียดปลีกย่อยบางประการของตัวทำละลายและวิธีที่ตัวทำละลายมีปฏิกิริยากับส่วนต่อประสานที่เป็นของแข็ง อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีใหม่เสนอแนะว่าพฤติกรรมของตัวทำละลายที่ส่วนต่อประสานมีอิทธิพลสำคัญต่อพลังงานไร้ปฏิกิริยารวมของวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าสองชิ้นเมื่อวัตถุทั้งสองเข้าใกล้กัน

การศึกษาล่าสุดจาก Krishnan และเพื่อนร่วมงานแสดงให้เห็นว่าตัวทำละลายมีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคที่ไม่คาดคิด แต่สามารถทำลายสมมาตรการกลับตัวของประจุได้ ทีมงานยังพบว่าระดับของปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคที่ตัวทำละลายต้องรับผิดชอบนั้นขึ้นอยู่กับค่า pH ของสารละลายอย่างมาก

นักวิจัยใช้กล้องจุลทรรศน์สนามสว่างเพื่อตรวจสอบอนุภาคของแข็งหลายชนิด รวมถึงซิลิกาอนินทรีย์ อนุภาคโพลีเมอร์ และพื้นผิวเคลือบโพลีอิเล็กโตรไลต์และโพลีเปปไทด์ ภายในตัวทำละลายต่างๆ พวกเขาพบว่าในสารละลายที่เป็นน้ำ อนุภาคที่มีประจุลบจะดึงดูดกันและก่อตัวเป็นกระจุก ในขณะที่อนุภาคที่มีประจุบวกจะถูกผลักกัน อย่างไรก็ตาม ในตัวทำละลายที่มีไดโพลกลับหัวที่ส่วนต่อประสาน เช่น แอลกอฮอล์ สิ่งที่ตรงกันข้ามจะเป็นจริง: อนุภาคที่มีประจุบวกจะดึงดูดกันและอนุภาคที่มีประจุลบจะถูกผลักกัน

“การค้นพบนี้จะชี้ให้เห็นถึงการปรับเทียบหลักการพื้นฐานที่สำคัญอีกครั้ง ซึ่งเราเชื่อว่าควบคุมปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลและอนุภาค และที่เราพบในช่วงเริ่มต้นของการศึกษาและการศึกษาของเรา” กฤษนันกล่าว “การศึกษานี้เผยให้เห็นถึงการปรับเปลี่ยนที่จำเป็นในสิ่งที่เราถือว่าเป็น 'หลักการในตำราเรียน'”

สาเหตุของประจุที่เหมือนกันดึงดูดกันมีสาเหตุมาจากตัวทำละลายที่มีอิทธิพลอย่างมากต่ออันตรกิริยาระหว่างอนุภาค ซึ่งสามารถประกอบอนุภาคที่มีประจุเหมือนกันในสารละลายได้เองตามธรรมชาติ เนื่องจากการกระทำร่วมกันของประจุไฟฟ้าที่ส่วนต่อประสานและโครงสร้างการละลายของส่วนต่อประสานเฉพาะที่ทำให้เกิด "แรงเคลื่อนไฟฟ้า" ระหว่างกลุ่มฟังก์ชันที่มีประจุลบในสารละลาย ส่งผลให้อนุภาคดึงดูดซึ่งกันและกันและกระจุก

ทีมงานยังพบว่าทั้งสัญญาณและขนาดของการมีส่วนร่วมของพลังงานอิสระอาจมีผลกระทบว่าอนุภาคจะสร้างระบบที่ประกอบขึ้นเองหรือไม่ (พลังงานอิสระเชิงลบจะขับเคลื่อนความเป็นธรรมชาติและการประกอบตัวเอง) คิดว่าแรงดึงดูดที่มีประจุเหมือนกันเหล่านี้มีส่วนรับผิดชอบต่อกระบวนการทางชีวภาพระดับนาโนเมตร เช่น การพับโมเลกุลทางชีวโมเลกุลของโมเลกุลขนาดใหญ่ในร่างกาย

เมื่อถามถึงผลกระทบของการศึกษานี้ Krishnan กล่าวว่า "ขอบเขตที่เปิดกว้างที่สำคัญคือปฏิสัมพันธ์นี้ส่งผลต่อชีววิทยาอย่างไร ชีววิทยาเต็มไปด้วยประจุ พลังเหล่านี้เป็นรากฐานที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลส่งผลต่อวิธีที่พวกมันมารวมตัวกัน ถูกบรรจุลงในพื้นที่ขนาดเล็ก และในที่สุดก็ทำหน้าที่ของมันได้”

“นี่เป็นแนวทางที่น่าตื่นเต้นที่สุด และฉันหวังว่าเราจะสามารถตอบคำถามที่น่าสนใจในพื้นที่ทั่วไปได้อย่างน้อย” กฤษนันกล่าวเสริม

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์