Притягиваются не только противоположности

Фундаментальный принцип физики гласит, что частицы с противоположными зарядами притягиваются друг к другу, а частицы с одинаковым зарядом отталкиваются. Но теперь ученые из Оксфордского университета обнаружили, что при определенных обстоятельствах частицы могут притягивать другие частицы с одинаковым зарядом.

Частицы могут приобретать как положительный, так и отрицательный заряд, и это определяет, как они ведут себя вокруг других частиц. Поместите две с противоположными зарядами рядом, и они притянутся друг к другу, а две с одинаковым зарядом оттолкнут друг друга.

Эта электростатическая сила становится сильнее по мере увеличения общего заряда и сближения частиц, что известно как закон Кулона.

Но в новом исследовании ученые обнаружили исключения из правил. Будучи взвешенными в определенных растворах, некоторые заряженные частицы могут притягивать частицы с одинаковым зарядом даже на относительно больших расстояниях. Еще более странно то, что частицы с положительным и отрицательным зарядом ведут себя в разных растворах по-разному.

В ходе испытаний команда ученых суспендировала отрицательно заряженные микрочастицы кремнезема в воде и обнаружила, что при определенных уровнях pH они могут притягиваться друг к другу, образуя кластеры гексагональной формы. Кажется, это нарушает основной принцип электромагнетизма, который гласит, что частицы одного и того же заряда должны отталкиваться на любом расстоянии.

Но когда исследователи рассмотрели этот эффект с помощью теории межчастичных взаимодействий, учитывающую структуру растворителя на границе раздела, была обнаружена новая сила притяжения, способная преодолеть электростатическое отталкивание.

Однако это не относится к положительно заряженным частицам аминированного диоксида кремния. В воде при любом уровне pH это взаимодействие оставалось отталкивающим.

При этом ученые обнаружили, что при переходе на другой растворитель – в данном случае на спирты – положительно заряженные частицы группируются вместе, а отрицательные остаются отталкивающими.

По мнению ученых, это исследование подразумевает фундаментальную перекалибровку понимания, которая повлияет на то, что 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.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.