科学家发现带电粒子有时会相互吸引 – 物理世界

<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="“电溶解力” 悬浮在水中的带负电的二氧化硅微粒相互吸引形成六角形簇。 （提供：张康）”>

从很小的时候起，我们在学校就被教导，同种电荷——无论是正电荷还是负电荷——都会相互排斥，而异性电荷会相互吸引。事实证明，在某些条件下，同种电荷实际上可以相互吸引。在最近发表的作品中 自然纳米技术牛津大学的研究人员证明了溶液中带同电粒子的吸引力。

首席科学家的旅程开始了 马达维·克里希南 早在 2000 年代中期，当她遇到“同电荷吸引问题”同时研究 DNA 分子如何挤进狭缝状的盒子里。原本预计 DNA 会扁平化成煎饼状的几何形状，但实际上它却沿着盒子的边缘对齐。在没有施加任何外力的情况下，唯一的解释是 DNA 被吸引到盒子上，尽管它们都带负电。因此，人们对吸引力和排斥力可能并不像看上去的那样产生了兴趣。

不过，同类电荷问题并不是什么新知识。多年来，不同的科学家试图解释同种电荷如何吸引，其中一些最早的作品来自 欧文·朗缪尔 早在1930年代。

最常见的同电荷吸引力领域之一是在流体内，以及固体物质与流体的相互作用。 “我在成为一名科学家的早期就遇到了这个问题，”克里希南说道 物理世界。 “考虑到这些观察结果与目前对流体相基本和核心现象的理解存在如此根本的背离，回避这个问题永远不会是一种选择。”

使用多价离子已经多次观察到流体中同电荷的吸引力，但这些都是已知的离子种类，不受 DLVO（Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）理论的约束，该理论认为带同电荷的分子会在长距离内相互排斥当范德华力太弱而无法影响分子之间的相互作用时。

然而，许多预计遵循 DLVO 理论规则的分子（例如核酸、脂质体、聚合物和水介质中的胶体颗粒）已被证明在存在相同电荷时具有一定程度的吸引力。

为什么一些类似的电荷会吸引？

当前溶剂内电荷吸引理论认为流体是连续体，但忽略了溶剂的一些更精细的细节以及它如何与固体界面相互作用。然而，新理论表明，界面处溶剂的行为对两个带电物体彼此接近时的总相互作用自由能有显着影响。

Krishnan 及其同事的最新研究表明，溶剂在颗粒间相互作用中发挥着不可预见但至关重要的作用，并且可以打破电荷反转对称性。研究小组还发现，溶剂引起的颗粒间相互作用的程度很大程度上取决于溶液的 pH 值。

研究人员使用明视野显微镜检查了各种溶剂中的一系列固体颗粒，包括无机二氧化硅、聚合物颗粒以及聚电解质和多肽涂层的表面。他们发现，在水溶液中，带负电的粒子相互吸引并形成簇，而带正电的粒子则相互排斥。然而，在界面处具有倒偶极子的溶剂（例如醇）中，情况恰恰相反：带正电的粒子相互吸引，带负电的粒子相互排斥。

克里希南说：“这些发现表明我们对基本原理进行了重大重新校准，我们相信这些基本原理控制着分子和粒子的相互作用，并且我们在学校教育的早期阶段就遇到了这些基本原理。” “这项研究揭示了我们所认为的‘教科书原则’所需要的调整。”

同种电荷相互吸引的原因归因于溶剂对粒子间相互作用影响较大，可以使溶液中的同种电荷粒子自发聚集。这是因为界面上电荷的协同作用和局部界面溶剂化结构在溶液中带负电的官能团之间产生“电溶剂化力”，导致颗粒相互吸引并聚集。

研究小组还发现，自由能贡献的符号和大小都会对粒子是否形成自组装系统产生影响（负自由能将驱动自发性和自组装）。人们认为这些同电荷吸引力负责纳米级的生物过程，例如体内大分子的生物分子折叠。

当被问及这项研究的影响时，克里希南说：“主要的开放前沿是这种相互作用如何影响生物学。生物学充满了电荷。这些力是分子之间相互作用发挥作用的基石，影响它们聚集在一起、包装到小空间中并最终发挥其功能的方式。”

“这些是最令人兴奋的方向，我希望我们能够在一般领域至少探索一些有趣的问题，”克里希南补充道。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract/