Các nhà khoa học phát hiện hạt tích điện cùng dấu đôi khi có thể hút nhau

Các nhà khoa học phát hiện hạt tích điện cùng dấu đôi khi có thể hút nhau

Dấu thời gian: Ngày 22 tháng 2024 năm 6 10:XNUMX sáng

<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="“Lực điện phân” Các vi hạt silica tích điện âm lơ lửng trong nước hút nhau tạo thành cụm lục giác. (Lịch sự: Zhang Kang)”>
Các hạt tích điện âm trong nước hút nhau tạo thành cụm lục giác
“Lực điện phân” Các vi hạt silica tích điện âm lơ lửng trong nước hút nhau tạo thành cụm lục giác. (Lịch sự: Zhang Kang)

Từ khi còn nhỏ, chúng ta đã được dạy ở trường rằng các điện tích cùng dấu - dù cả hai đều dương hay cả hai âm - sẽ đẩy nhau, trong khi các điện tích trái dấu thì hút nhau. Hóa ra là trong những điều kiện nhất định, các điện tích cùng dấu thực sự có thể hút lẫn nhau. Trong tác phẩm được xuất bản gần đây trên Công nghệ nano tự nhiên, các nhà nghiên cứu tại Đại học Oxford đã chứng minh được sức hút của các hạt tích điện cùng dấu trong dung dịch.

Cuộc hành trình bắt đầu của nhà khoa học dẫn đầu Madhavi Krishnan trở lại giữa những năm 2000, khi cô ấy tình cờ thấy “vấn đề thu hút phí tương tự”trong khi nghiên cứu cách các phân tử DNA ép vào những chiếc hộp giống như khe hở. Người ta kỳ vọng rằng DNA sẽ dẹt thành hình dạng giống như chiếc bánh kếp, nhưng thay vào đó, nó lại thẳng hàng dọc theo mép hộp. Không có bất kỳ lực bên ngoài nào tác dụng, lời giải thích duy nhất là DNA bị hút vào chiếc hộp, mặc dù cả hai đều tích điện âm. Vì vậy, mối quan tâm đến việc lực hút và lực đẩy có thể không giống như vẻ ngoài của chúng đã được sinh ra.

Tuy nhiên, vấn đề về phí tương tự không phải là kiến ​​thức mới. Trong nhiều năm, các nhà khoa học khác nhau đã cố gắng giải thích các điện tích giống nhau có thể hút nhau như thế nào, với một số công trình sớm nhất đến từ irving langmuir trở lại những năm 1930.

Một trong những lĩnh vực mà lực hút điện tích cùng dấu được quan sát nhiều nhất là bên trong chất lỏng và sự tương tác của vật chất rắn với chất lỏng. “Tôi đã sớm gặp phải vấn đề này trong quá trình trở thành một nhà khoa học,” Krishnan nói. Thế giới vật lý. “Xem xét các quan sát dẫn đến sự khác biệt cơ bản với sự hiểu biết hiện tại về một hiện tượng cơ bản và trung tâm trong pha chất lỏng, việc quay lưng lại với vấn đề sẽ không bao giờ là một lựa chọn.”

Lực hút của các điện tích cùng dấu trong chất lỏng đã được nhìn thấy nhiều lần khi sử dụng các ion đa hóa trị, nhưng đây là những loại ion đã biết được loại trừ khỏi lý thuyết DLVO (Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek) – kỳ vọng rằng các phân tử tích điện cùng dấu sẽ đẩy nhau ở tầm xa khi lực van der Waals quá yếu để ảnh hưởng đến tương tác giữa các phân tử.

Tuy nhiên, một số phân tử được cho là tuân theo các quy luật của lý thuyết DLVO – chẳng hạn như axit nucleic, liposome, polyme và các hạt keo trong môi trường nước – đã được chứng minh là có một số mức độ hút khi có điện tích cùng dấu.

Tại sao một số khoản phí tương tự lại thu hút?

Các lý thuyết hiện nay về lực hút điện tích trong dung môi coi chất lỏng là một chất liên tục nhưng bỏ qua một số chi tiết tinh tế hơn của dung môi và cách nó tương tác với các bề mặt phân cách rắn. Tuy nhiên, các lý thuyết mới cho thấy hoạt động của dung môi tại bề mặt phân cách có ảnh hưởng đáng kể đến tổng năng lượng tự do tương tác của hai vật mang điện khi chúng đến gần nhau.

Nghiên cứu mới nhất của Krishnan và các cộng sự cho thấy dung môi đóng một vai trò không lường trước được nhưng rất quan trọng trong tương tác giữa các hạt và có thể phá vỡ tính đối xứng nghịch điện tích. Nhóm nghiên cứu còn phát hiện ra rằng mức độ tương tác giữa các hạt mà dung môi chịu trách nhiệm phụ thuộc rất nhiều vào độ pH của dung dịch.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi trường sáng để kiểm tra một loạt các hạt rắn, bao gồm silica vô cơ, các hạt polyme và các bề mặt được phủ polyelectrolyte và polypeptide, trong các dung môi khác nhau. Họ phát hiện ra rằng trong dung dịch nước, các hạt tích điện âm hút nhau và tạo thành cụm, trong khi các hạt tích điện dương đẩy nhau. Tuy nhiên, trong các dung môi có lưỡng cực ngược ở bề mặt tiếp xúc – chẳng hạn như rượu – thì điều ngược lại xảy ra: các hạt tích điện dương hút nhau và các hạt tích điện âm đẩy nhau.

Krishnan cho biết: “Những phát hiện này gợi ý một sự hiệu chỉnh lại lớn các nguyên tắc cơ bản mà chúng tôi tin rằng chi phối sự tương tác của các phân tử và hạt, và chúng tôi gặp phải ở giai đoạn đầu trong quá trình học tập và giáo dục của mình”. “Nghiên cứu này đưa ra ánh sáng một sự điều chỉnh cần thiết đối với một điều mà chúng tôi coi là 'nguyên tắc sách giáo khoa'.”

Sở dĩ các điện tích cùng loại hút nhau là do dung môi có ảnh hưởng lớn đến tương tác giữa các hạt, có thể tự tập hợp các hạt tích điện cùng loại trong dung dịch. Điều này là do tác động phối hợp của điện tích tại bề mặt phân cách và cấu trúc hòa tan bề mặt cục bộ tạo ra một “lực điện hòa tan” giữa các nhóm chức năng tích điện âm trong dung dịch, khiến các hạt hút nhau và tập hợp lại.

Đội nghiên cứu còn phát hiện ra rằng cả dấu và độ lớn của sự đóng góp năng lượng tự do đều có thể tác động đến việc liệu các hạt có hình thành nên hệ thống tự lắp ráp hay không (năng lượng tự do âm sẽ thúc đẩy tính tự phát và khả năng tự lắp ráp). Người ta cho rằng những điểm thu hút điện tích giống nhau này là nguyên nhân gây ra các quá trình sinh học ở quy mô nanomet, chẳng hạn như sự gấp nếp của phân tử sinh học trong cơ thể.

Khi được hỏi về tác động của nghiên cứu, Krishnan nói rằng “biên giới mở chính là sự tương tác này ảnh hưởng đến sinh học như thế nào. Sinh học được nạp đầy phí. Các lực này là nền tảng cho sự tương tác giữa các phân tử, ảnh hưởng đến cách chúng kết hợp với nhau, được gói gọn trong những không gian nhỏ và cuối cùng thực hiện chức năng của chúng.”

Krishnan cho biết thêm: “Đây là những hướng đi thú vị nhất và tôi hy vọng chúng tôi có thể theo đuổi ít nhất một số câu hỏi thú vị trong lĩnh vực chung”.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý