Nová studie převrátila základní princip fyziky tím, že ukázala, že podobně nabité částice se mohou v roztoku vzájemně přitahovat, přičemž účinek se mění mezi kladnými a zápornými náboji v závislosti na rozpouštědle. Tento objev má důležité důsledky pro různé vědecké procesy, včetně samouspořádání a krystalizace. Výzkum odhaluje důležitost struktury rozpouštědla na rozhraní při určování interakcí mezi částicemi, zpochybňuje zažitá přesvědčení a poukazuje na potřebu přehodnotit naše chápání elektromagnetických sil. Kredit: Zhang Kang
„Opačné náboje se přitahují; „Jako náboje se navzájem odpuzují“ je základní princip základní fyziky. Nicméně nová studie z Oxfordské univerzity, nedávno zveřejněná v časopise přírodní nanotechnologie, Prokázal, že podobně nabité částice v roztoku se skutečně mohou navzájem přitahovat na velké vzdálenosti.
Tým také překvapivě zjistil, že účinek se liší pro kladně a záporně nabité částice v závislosti na rozpouštědle.
Kromě převrácení zažitých názorů mají tyto výsledky bezprostřední důsledky pro řadu procesů zahrnujících mezimolekulární a mezimolekulární interakce napříč různými délkovými měřítky, včetně samouspořádání, krystalizace a separace fází.
Tým vědců sídlící na katedře chemie Oxfordské univerzity zjistil, že záporně nabité částice se na velké vzdálenosti přitahují, zatímco kladně nabité částice se odpuzují, zatímco u rozpouštědel, jako je alkohol, je tomu naopak.
Tyto výsledky jsou překvapivé, protože se zdá, že odporují centrálnímu elektromagnetickému principu, že síla mezi náboji stejného znaménka je při všech vzdálenostech odpudivá.
Experimentální pozorování
Nyní pomocí mikroskopie ve světlém poli tým sledoval drobné, záporně nabité částice oxidu křemičitého suspendované ve vodě a zjistil, že částice se navzájem přitahují a vytvářejí uspořádané, šestiúhelníkové shluky. Pozitivně nabité molekuly aminooxidu křemičitého však ve vodě nevytvářely shluky.
Pomocí teorie částicových interakcí, která bere v úvahu strukturu rozpouštědla na rozhraní, tým prokázal, že pro záporně nabité částice ve vodě existuje přitažlivá síla, která převáží elektrostatické odpuzování na velké vzdálenosti od sebe, což vede k tvorbě shluky. Pro kladně nabité částice ve vodě je tato reakce řízená rozpouštědlem vždy odpudivá a netvoří se žádné agregáty.
Bylo zjištěno, že tento účinek závisí na pH: tým byl schopen řídit tvorbu (nebo netvoření) shluků záporně nabitých částic změnou pH. Bez ohledu na pH, kladně nabité molekuly netvoří shluky.
Účinky specifické pro rozpouštědla a další objevy
Tým přirozeně přemýšlel, zda by bylo možné přepnout účinek na nabité částice tak, že kladně nabité částice tvoří shluky, zatímco záporně nabité částice nikoli. Změnou rozpouštědla na alkoholy, jako je ethanol, které mají odlišné chování na rozhraní než voda, přesně toto pozorovali: kladně nabité molekuly amino-oxidu křemičitého vytvořily hexagonální skupiny, zatímco záporně nabitý oxid křemičitý nikoli.
Podle vědců tato studie zahrnuje zásadní rekalibraci v porozumění, která ovlivní způsob, jakým přemýšlíme o různých procesech, jako je stabilita farmaceutických a čistých chemických produktů nebo patologická dysfunkce spojená s molekulární agregací u lidských nemocí. Nové výsledky také poskytují důkaz o schopnosti zkoumat vlastnosti mezifázového elektrického potenciálu generovaného rozpouštědlem, jako je jeho znaménko a velikost, které byly dříve považovány za neměřitelné.
„Jsem opravdu velmi hrdý na své postgraduální studenty, stejně jako na vysokoškolské studenty, kteří všichni společně pracovali na tom, aby posunuli jehlu k tomuto zásadnímu objevu,“ říká profesor Madhavi Krishnan (Department of Chemistry, University of Oxford), který vedl studie.
„Stále mě fascinuje vidět, jak se tyto částice navzájem přitahují, i když jsem to viděl tisíckrát,“ říká Sida Wang (Department of Chemistry, University of Oxford), první autor studie.
Odkaz: „Síla závislá na náboji na dlouhé vzdálenosti pohání ad hoc sestavování hmoty v roztoku“ od Sydy Wang, Rowan Walker Gibbons, Bethany Watkins, Melissy Flynn a Madhavi Krishnana, 30. února 2024, Přírodní nanotechnologie.
doi: 10.1038/s41565-024-01621-5
„Hudební učenec. Spisovatel. Zlý slanina evangelista. Hrdý twitter narkoman. Myslitel. Milovník internetu. Jemně okouzlující hráč.“
