Tegenpolen trekken elkaar aan, voorkeuren stoten elkaar af? Wetenschappers gooien het basisprincipe van de natuurkunde omver

Een nieuwe studie heeft een fundamenteel natuurkundig principe op zijn kop gezet door aan te tonen dat vergelijkbaar geladen deeltjes elkaar in oplossing kunnen aantrekken, waarbij het effect varieert tussen positieve en negatieve ladingen, afhankelijk van het oplosmiddel. Deze ontdekking heeft belangrijke implicaties voor verschillende wetenschappelijke processen, waaronder zelfassemblage en kristallisatie. Het onderzoek onthult het belang van de oplosmiddelstructuur op het grensvlak bij het bepalen van interacties tussen deeltjes, stelt langgekoesterde overtuigingen ter discussie en wijst op de noodzaak om ons begrip van elektromagnetische krachten opnieuw te evalueren. Krediet: Zhang Kang

“Tegenovergestelde ladingen trekken elkaar aan; ‘Gelijke ladingen stoten elkaar af’ is een fundamenteel principe van de fundamentele natuurkunde. Dat blijkt echter uit een nieuwe studie van de Universiteit van Oxford, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift natuur nanotechnologie, Hij toonde aan dat vergelijkbaar geladen deeltjes in oplossing elkaar over lange afstanden daadwerkelijk kunnen aantrekken.

Ook verrassend genoeg ontdekte het team dat het effect verschilt voor positief en negatief geladen deeltjes, afhankelijk van het oplosmiddel.

Naast het omverwerpen van lang gekoesterde overtuigingen, hebben deze resultaten directe implicaties voor een reeks processen waarbij intermoleculaire en intermoleculaire interacties betrokken zijn over verschillende lengteschalen, waaronder zelfassemblage, kristallisatie en fasescheiding.

Het team van onderzoekers, gevestigd aan de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Oxford, ontdekte dat negatief geladen deeltjes elkaar op grote afstanden aantrekken, terwijl positief geladen deeltjes elkaar afstoten, terwijl het tegenovergestelde het geval was voor oplosmiddelen zoals alcohol.

Deze resultaten zijn verrassend omdat ze in tegenspraak lijken te zijn met het centrale elektromagnetische principe, dat stelt dat de kracht tussen ladingen van hetzelfde teken bij alle scheidingen afstotend is.

Experimentele observaties

Nu heeft het team met behulp van helderveldmicroscopie kleine, negatief geladen silicadeeltjes gevolgd die in water zweven, en ontdekt dat de deeltjes elkaar aantrekken om geordende, hexagonale clusters te vormen. De positief geladen amino-silicamoleculen vormden echter geen clusters in water.

Met behulp van de theorie van deeltjesinteracties, waarbij rekening wordt gehouden met de structuur van het oplosmiddel op het grensvlak, heeft het team aangetoond dat er voor negatief geladen deeltjes in water een aantrekkingskracht bestaat die opweegt tegen de elektrostatische afstoting op grote scheidingsafstanden, wat leidt tot de vorming van deeltjes. klontjes. Voor positief geladen deeltjes in water is deze oplosmiddelgedreven reactie altijd afstotend en vormen zich geen aggregaten.

Dit effect bleek afhankelijk te zijn van de pH: het team kon de vorming (of niet-vorming) van clusters van negatief geladen deeltjes controleren door de pH te veranderen. Ongeacht de pH vormen positief geladen moleculen geen clusters.

Speciale effecten van oplosmiddelen en aanvullende ontdekkingen

Uiteraard vroeg het team zich af of het mogelijk zou zijn om het effect op geladen deeltjes te veranderen, zodat positief geladen deeltjes clusters vormen, terwijl negatief geladen deeltjes dat niet doen. Door het oplosmiddel te veranderen in alcoholen, zoals ethanol, die een ander grensvlakgedrag hebben dan water, is dit precies wat ze hebben waargenomen: de positief geladen amino-silica-moleculen vormden hexagonale groepen, terwijl de negatief geladen silica dat niet deed.

Volgens de onderzoekers impliceert deze studie een fundamentele herkalibratie van het begrip die van invloed zal zijn op de manier waarop we denken over verschillende processen, zoals de stabiliteit van farmaceutische en fijnchemische producten of pathologische disfunctie geassocieerd met moleculaire aggregatie bij ziekten bij de mens. De nieuwe resultaten leveren ook bewijs van het vermogen om eigenschappen te onderzoeken van de elektrische grensvlakpotentiaal die door het oplosmiddel wordt gegenereerd, zoals het teken en de grootte, waarvan voorheen werd gedacht dat ze onmeetbaar waren.

“Ik ben echt heel trots op mijn studenten, maar ook op de studenten, die allemaal hebben samengewerkt om deze fundamentele ontdekking een impuls te geven”, zegt professor Madhavi Krishnan (Departement Scheikunde, Universiteit van Oxford), die leiding gaf aan de studie. studie.

“Ik vind het nog steeds fascinerend om te zien hoe deze deeltjes elkaar aantrekken, zelfs nadat ik het al duizend keer heb gezien”, zegt Sida Wang (Departement Scheikunde, Universiteit van Oxford), eerste auteur van het onderzoek.

Referentie: “Een ladingsafhankelijke kracht over lange afstand drijft ad hoc assemblage van materie in oplossing aan” door Syda Wang, Rowan Walker Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn en Madhavi Krishnan, 30 februari 2024, Natuur nanotechnologie.
doi: 10.1038/s41565-024-01621-5