Известный принцип физики гласит, что частицы с противоположными зарядами притягиваются друг к другу, а частицы с одинаковым зарядом отталкиваются. Ученые из Оксфордского университета обнаружили, что при определенных обстоятельствах частицы с одинаковыми зарядами все-таки могут притягиваться.
Исключение из знакомого всем правила описано в новом исследовании. В ходе испытаний команда ученых суспендировала, то есть объединила, отрицательно заряженные микрочастицы кремнезема в воде. Используя микроскопию светлого поля, специалисты обнаружили, что частицы притягиваются друг к другу, образуя гексагонально расположенные кластеры.
Теория межчастичных взаимодействий, учитывающая структуру растворителя на границе раздела, позволила установить, что для отрицательно заряженных частиц в воде существует сила притяжения, которая перевешивает электростатическое отталкивание на больших расстояниях. Это и приводит к образованию кластеров. Для положительно заряженных частиц в воде подобное взаимодействие с растворителем всегда является отталкивающим, и кластеры не образуются.
Эффект притяжения зависит от уровня pH: команда смогла контролировать образование (или отсутствие) кластеров отрицательно заряженных частиц, изменяя кислотность водного раствора. Однако независимо от уровня pH положительно заряженные частицы не образовывали кластеры.
Естественно, ученые задались вопросом, можно ли переключить воздействие на заряженные частицы таким образом, чтобы положительно заряженные частицы образовывали кластеры, а отрицательно заряженные — нет. Заменив растворитель на спирты, такие как этанол, который имеет другое поведение на границе раздела с водой, они наблюдали именно это: положительно заряженные частицы аминированного диоксида кремния образовывали гексагональные кластеры, тогда как отрицательно заряженные частицы кремнезема этого не делали.
Помимо переворота устоявшихся убеждений, результаты эксперимента ученых имеют непосредственное значение для целого ряда процессов, в том числе межчастичных и межмолекулярных взаимодействий на различных масштабах, включая самосборку, кристаллизацию и фазовое разделение.
Эти наблюдения важны для понимания устройства ядер атомов и нейтронных звёзд…