Было обнаружено, что одноименно заряженные объекты слипаются вместе, в то время как разноимённо заряженные тела отталкиваются из-за недавно открытой «силы электросольватации».
Ученые наблюдали, как одинаковые заряды притягиваются друг к другу на больших расстояниях, что явно противоречит фундаментальному принципу физики.
Впервые высказанное французским физиком Шарлем-Огюстеном де Куломбом в 18 веке: «Противоположности притягиваются, а подобные заряды отталкиваются» стало привычной идиомой, даже будучи знаменито переформулированной Паулой Абдул.
Новое исследование, опубликованное 1 марта в журнале Nature Nanotechnology, усложнило эту картину. Группа исследователей обнаружила, что в некоторых жидкостях все наоборот: одноименно заряженные частицы притягиваются.
«Поскольку одноименно заряженные объекты в вакууме, как ожидается, будут отталкиваться независимо от того, является ли знак заряда, который они несут, положительным или отрицательным, ожидается, что одноименно заряженные частицы в растворе также должны монотонно отталкиваться», — пишут исследователи в статье. .
Чтобы проверить это предположение, исследователи поместили заряженные микрочастицы кремнезема (размером всего 0,0002 дюйма, или 5 микрометров, в ширину — часть ширины человеческого волоса) в воду или один из двух типов спирта. Отслеживая заряды с помощью микроскопа, команда установила, что внутри воды положительно заряженные частицы отталкиваются друг от друга в соответствии с законом Кулона.
Но отрицательно заряженные частицы вели себя совсем иначе: они слипались в крошечные шестиугольные структуры. Этот эффект возникал, когда вода была слегка кислой — в диапазоне pH от 5 до 6,5, или примерно такой же кислой, как кофе или молоко — и исчезала за пределами этого диапазона.
А когда положительно заряженные частицы помещались внутрь этанола или изопропанола, это имело противоположный эффект: положительные заряды притягивались друг к другу, а отрицательные – отталкивались.
Чтобы объяснить странное поведение, исследователи обратились к разработанной ими теории, которая моделировала воду как молекулярную, а не как сплошную среду.
«Наши [стандартные] уравнения представляют собой уравнения континуума — они не учитывают зернистую природу континуума», — рассказал Live Science ведущий автор Мадхави Кришнан, профессор физической химии в Оксфордском университете. «Он отлично работает в большинстве ситуаций, за исключением тех случаев, когда это не так».
Смоделировав молекулы воды как крошечные электромагнитные диполи — с небольшим отрицательным зарядом у атома кислорода и положительным зарядом вокруг атомов водорода — исследователи обнаружили, что «сила электросольватации» возникает в результате взаимодействия между отрицательным кислородом и отрицательными частицами кремнезема.
Эта сила уменьшает общую энергию в системе после того, как протон «прыгнул» на частицы кремнезема, чтобы уменьшить их общий отрицательный заряд, и это происходит в определенном диапазоне pH, когда протоны в растворе могут менять свое положение.
«Вы должны находиться в таком диапазоне pH, в котором протоны хотят прыгать и выходить», — сказал Кришнан.
В спирте молекулярный диполь инвертирован, что приводит к ощущению силы между положительными зарядами, как обнаружила команда.
Теперь, когда эффект был продемонстрирован, исследователи будут использовать его, чтобы лучше понять биомолекулярные конденсаты — тип клеточных органелл, которые могут разделять фазы содержимого клетки и чья работа имеет жизненно важное значение для понимания болезней.
«Я был бы ошеломлен, если бы основные принципы не были одинаковыми», — сказал Кришнан. «Если мы сможем внести свой вклад в понимание этого класса проблем, то, я думаю, мы добавим весьма важную концепцию, поскольку ожидается, что такие явления будут актуальны даже при заболеваниях человека».
