Вчені виявили, що однаково заряджені частинки іноді можуть притягуватися – 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="«Сила електросольватації» Негативно заряджені мікрочастинки кремнезему, зважені у воді, притягуються одна до одної, утворюючи шестикутні кластери. (З дозволу: Чжан Кан)”>

З дитинства нас вчать у школі, що однакові заряди – як позитивні, так і негативні – відштовхуються один від одного, тоді як протилежні заряди притягуються. Виявляється, за певних умов подібні заряди можуть притягувати один одного. У нещодавно опублікованій роботі в Природа нанотехнології, дослідники з Оксфордського університету продемонстрували притягання одноіменно заряджених частинок у розчинах.

Для провідного вченого розпочалася подорож Мадхаві Крішнан ще в середині 2000-х, коли вона натрапила на "проблема притягання однорідного заряду” під час вивчення того, як молекули ДНК стискаються в щілиноподібні коробки. Очікувалося, що ДНК сплющиться в геометрію, схожу на млинці, але замість цього вона вирівнялася вздовж краю коробки. Без застосування будь-яких зовнішніх сил єдиним поясненням було те, що ДНК притягалася до коробки, незважаючи на те, що вони обидва були негативно заряджені. Таким чином, народився інтерес до того, як привабливість і відштовхування можуть бути не такими, якими вони здаються.

Проблема однакового заряду не є новим знанням. Протягом багатьох років різні вчені намагалися пояснити, як однакові заряди можуть притягуватися, і деякі з найдавніших робіт походять з Ірвінг Ленгмюр ще в 1930-х роках.

Однією з областей, де притягання однорідних зарядів спостерігається найбільше, є рідини та взаємодія твердої речовини з рідинами. «Я зіткнувся з цією проблемою на початку моєї траєкторії як вченого», — розповідає Крішнан Світ фізики. «Враховуючи, що спостереження призвели до такого фундаментального відхилення від поточного розуміння основного та центрального явища в рідинній фазі, відвернення від проблеми ніколи не було вибором».

Притягання однакових зарядів у рідинах спостерігалося багато разів за допомогою багатовалентних іонів, але це відомі іонні види, які не підпадають під дію теорії DLVO (Derjaguin–Landau–Ferwey–Overbeek) – очікування, що молекули з однаковими зарядами будуть відштовхуватися на великих відстанях. коли сили Ван-дер-Ваальса занадто слабкі, щоб впливати на взаємодію між молекулами.

Проте ряд молекул, які, як очікується, будуть відповідати правилам теорії DLVO, наприклад нуклеїнові кислоти, ліпосоми, полімери та колоїдні частинки у водному середовищі, мають певний рівень притягання, коли присутні однакові заряди.

Чому деякі подібні заряди притягуються?

Сучасні теорії притягання зарядів у розчинниках вважають рідину континуумом, але не помічають деякі дрібніші деталі розчинника та те, як він взаємодіє з твердими поверхнями. Однак нові теорії припускають, що поведінка розчинника на межі розділу істотно впливає на загальну вільну енергію взаємодії двох об’єктів, що несуть заряд, коли вони наближаються один до одного.

Останнє дослідження Крішнана та його колег показало, що розчинник відіграє непередбачену, але вирішальну роль у міжчастинкових взаємодіях і може порушити симетрію зміни заряду. Команда також виявила, що ступінь взаємодії між частинками, за яку відповідає розчинник, сильно залежить від pH розчину.

Дослідники використовували світлопольну мікроскопію для дослідження ряду твердих частинок, включаючи неорганічний кремнезем, полімерні частинки та поверхні, покриті поліелектролітами та поліпептидами, у різних розчинниках. Вони виявили, що у водному розчині негативно заряджені частинки притягуються одна до одної й утворюють кластери, тоді як позитивно заряджені частинки відштовхуються. Однак у розчинниках, які мають перевернутий диполь на межі розділу (наприклад, спирти), було навпаки: позитивно заряджені частинки притягувалися одна до одної, а негативно заряджені частинки відштовхувалися.

«Отримані результати свідчать про значне перекалібрування основних принципів, які, на нашу думку, керують взаємодією молекул і частинок і з якими ми стикаємося на ранньому етапі нашого шкільного навчання», — говорить Крішнан. «Дослідження виявляє необхідне коригування того, що ми вважаємо «принципом підручника».

Причина того, що однакові заряди притягуються один до одного, пояснюється тим, що розчинник має великий вплив на міжчастинкові взаємодії, які можуть спонтанно збирати однаково заряджені частинки в розчині. Це пояснюється тим, що узгоджена дія електричного заряду на межі розділу та локальна міжфазна структура сольватації генерують «силу електросольватації» між негативно зарядженими функціональними групами в розчині, змушуючи частинки притягуватися одна до одної та кластеризуватися.

Команда також виявила, що як знак, так і величина внеску вільної енергії можуть впливати на те, чи утворюють частинки самоорганізовані системи (від’ємна вільна енергія буде стимулювати спонтанність і самозбірку). Вважається, що ці притягання подібних зарядів відповідають за біологічні процеси нанометрового масштабу, такі як біомолекулярне згортання макромолекул в організмі.

Коли його запитали про вплив дослідження, Крішнан відповів, що «основним відкритим кордоном є те, як ця взаємодія впливає на біологію. Біологія заряджена. Ці сили є основою, на якій відбувається взаємодія між молекулами, впливаючи на те, як вони об’єднуються, розміщуються в невеликих просторах і, зрештою, виконують свою функцію».

«Це найцікавіші напрямки, і я сподіваюся, що ми зможемо розглянути принаймні деякі цікаві питання в загальній сфері», — додає Крішнан.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract/