Eine neue Studie hat ein grundlegendes Prinzip der Physik auf den Kopf gestellt, indem sie gezeigt hat, dass ähnlich geladene Teilchen sich in einer Lösung gegenseitig anziehen können, wobei der Effekt je nach Lösungsmittel zwischen positiven und negativen Ladungen variiert. Diese Entdeckung hat erhebliche Auswirkungen auf verschiedene wissenschaftliche Prozesse, einschließlich Selbstorganisation und Kristallisation. Die Forschung zeigt die Bedeutung der Lösungsmittelstruktur an der Grenzfläche für die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen Partikeln, stellt lang gehegte Annahmen in Frage und weist auf die Notwendigkeit einer Neubewertung unseres Verständnisses elektromagnetischer Kräfte hin. Bildnachweis: Zhang Kang
„Gegensätze ziehen sich an; „Gleiche Ladungen stoßen sich ab“ ist ein grundlegendes Prinzip der Grundphysik. Allerdings wurde kürzlich eine neue Studie der Universität Oxford in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur Nanotechnologie, hat gezeigt, dass ähnlich geladene Teilchen in Lösung sich tatsächlich über große Entfernungen gegenseitig anziehen können.
Ebenso überraschend stellte das Team fest, dass der Effekt je nach Lösungsmittel für positiv und negativ geladene Teilchen unterschiedlich ist.
Diese Ergebnisse stellen nicht nur lang gehegte Annahmen auf den Kopf, sondern haben auch unmittelbare Auswirkungen auf eine Reihe von Prozessen, die interpartikuläre und intermolekulare Wechselwirkungen über verschiedene Längenskalen hinweg beinhalten, darunter Selbstorganisation, Kristallisation und Phasentrennung.
Das Forscherteam am Oxforder Department of Chemistry fand heraus, dass sich negativ geladene Teilchen bei großen Abständen gegenseitig anziehen, während sich positiv geladene Teilchen abstoßen, während bei Lösungsmitteln wie Alkoholen das Gegenteil der Fall ist.
Diese Ergebnisse sind überraschend, weil sie dem zentralen elektromagnetischen Prinzip zu widersprechen scheinen, dass die Kraft zwischen Ladungen mit demselben Vorzeichen bei allen Abständen abstoßend ist.
Experimentelle Beobachtungen
Mithilfe der Hellfeldmikroskopie verfolgte das Team nun negativ geladene Silica-Mikropartikel, die in Wasser suspendiert waren, und stellte fest, dass sich die Partikel gegenseitig anzogen und so hexagonal angeordnete Cluster bildeten. Positiv geladene aminierte Silicapartikel bildeten in Wasser jedoch keine Cluster.
Mithilfe einer Theorie der Wechselwirkungen zwischen Teilchen, die die Struktur des Lösungsmittels an der Grenzfläche berücksichtigt, stellte das Team fest, dass für negativ geladene Teilchen in Wasser eine Anziehungskraft besteht, die bei großen Abständen die elektrostatische Abstoßung überwiegt und zur Clusterbildung führt. Für positiv geladene Teilchen im Wasser ist diese lösungsmittelbedingte Wechselwirkung immer abstoßend und es bilden sich keine Cluster.
Es wurde festgestellt, dass dieser Effekt pH-abhängig ist: Das Team konnte die Bildung (oder auch nicht) von Clustern für negativ geladene Partikel durch Variation des pH-Werts steuern. Unabhängig vom pH-Wert bildeten die positiv geladenen Partikel keine Cluster.
Lösungsmittelspezifische Effekte und weitere Entdeckungen
Natürlich fragte sich das Team, ob der Effekt auf geladene Teilchen so umgeschaltet werden könnte, dass die positiv geladenen Teilchen Cluster bilden und die negativen nicht. Durch den Wechsel des Lösungsmittels zu Alkoholen wie Ethanol, das ein anderes Grenzflächenverhalten als Wasser aufweist, beobachteten sie genau dies: Positiv geladene aminierte Silica-Partikel bildeten hexagonale Cluster, negativ geladenes Silica hingegen nicht.
Laut den Forschern impliziert diese Studie eine grundlegende Neukalibrierung des Verständnisses, die die Art und Weise beeinflussen wird, wie wir über Prozesse denken, die so unterschiedlich sind wie die Stabilität pharmazeutischer und feinchemischer Produkte oder die pathologische Fehlfunktion, die mit der Molekülaggregation bei menschlichen Krankheiten einhergeht. Die neuen Erkenntnisse liefern auch Beweise für die Fähigkeit, Eigenschaften des elektrischen Grenzflächenpotentials aufgrund des Lösungsmittels zu untersuchen, wie z. B. sein Vorzeichen und seine Größe, die zuvor als nicht messbar galten.
Professor Madhavi Krishnan (Department of Chemistry, Universität Oxford), der die Studie leitete, sagt: „Ich bin wirklich sehr stolz auf meine beiden Doktoranden und die Studenten, die alle zusammengearbeitet haben, um diese grundlegende Entdeckung voranzubringen.“ .“
Sida Wang (Department of Chemistry, Universität Oxford), eine Erstautorin der Studie, sagt: „Ich finde es immer noch faszinierend zu sehen, wie sich diese Teilchen anziehen, obwohl ich das schon tausend Mal gesehen habe.“
Referenz: „Eine ladungsabhängige weitreichende Kraft treibt die maßgeschneiderte Anordnung von Materie in Lösung an“ von Sida Wang, Rowan Walker-Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn und Madhavi Krishnan, 30. Februar 2024, Natur-Nanotechnologie.
DOI: 10.1038/s41565-024-01621-5