Зарядозависимая сила дальнего действия приводит к индивидуальной сборке материи в растворе
Фундаментальный физический принцип гласит, что противоположные заряды притягиваются, а подобные заряды отталкиваются. Но в новом исследовании Оксфордского университета, опубликованное сегодня в журнале Nature Nanotechnology, показано, что частицы с одинаковым зарядом в растворе на самом деле могут притягивать друг друга на больших расстояниях. Причём эффект различен для положительно и отрицательно заряженных частиц в зависимости от растворителя.
Исследование показало, что отрицательно заряженные микрочастицы кремнезема, взвешенные в воде, притягиваются друг к другу, образуя гексагональные кластеры.
Кредит: Чжан Кан.
Эти результаты имеют непосредственное значение для ряда процессов, включающих межчастичные и межмолекулярные взаимодействия на различных масштабах, включая самосборку, кристаллизацию и фазовое разделение.
Используя микроскопию, были отслежены отрицательно заряженные микрочастицы кремнезема, взвешенные в воде, которые притягивались друг к другу, образуя гексагонально расположенные кластеры. Однако положительно заряженные частицы аминированного кремнезема не образовывали кластеров.
Исходя из теории межчастичных взаимодействий установлено, что для отрицательно заряженных частиц в воде существует сила притяжения, которая перевешивает электростатическое отталкивание на больших расстояниях, что как раз и приводит к образованию кластеров. Для положительно заряженных частиц в воде это взаимодействие с растворителем всегда является отталкивающим, и кластеры не образуются.
Было обнаружено, что этот эффект зависит от pH, т.е. контролируя pH удалось контролировать образование кластеров. Независимо от pH положительно заряженные частицы не образовывали кластеры.
Можно ли переключить воздействие на заряженные частицы таким образом, чтобы положительно заряженные частицы образовывали кластеры, а отрицательно заряженные — нет? Можно! Заменив растворитель на спирты, такие как этанол, который имеет другое поведение на границе раздела, чем вода, учёные наблюдали именно это: положительно заряженные частицы аминированного диоксида кремния образовывали гексагональные кластеры, тогда как отрицательно заряженные частицы кремнезема этого не делали.
По мнению учёных, это исследование предполагает фундаментальную перекалибровку понимания, которая повлияет на то, как мы думаем о таких разных процессах, как стабильность фармацевтических продуктов и продуктов тонкой химии или патологические нарушения, связанные с молекулярной агрегацией при заболеваниях человека. Новые результаты также предоставляют доказательства способности исследовать свойства межфазного электрического потенциала растворителя, такие как его знак и величина, которые ранее считались неизмеримыми.
