В школе этому не учили: одинаково заряженные частицы могут притягиваться
Новое исследование Оксфордского университета продемонстрировало, что частицы с одинаковым зарядом притягиваются друг к другу в растворе и образуют кластеры. Команда обнаружила, что этот эффект различается для положительных и отрицательных частиц, зависит от растворителя и его кислотности.
Исследование вовсе не ставило своей целью опровергнуть главный закон электростатики — Закон Кулона. Оно его и не опровергает: протоны отталкиваются, электрон притягивается к протону — все нормально, все по-прежнему. Но когда мы берем частицы побольше, многое меняется.
Ученые взяли отрицательно заряженные частицы кремнезема (SiO2) и смешали их с водой. И с удивлением увидели, что частицы притягиваются друг к другу и образуют кластеры, состоящие из шестиугольников. Но когда взяли положительно заряженные частицы кремнезема, кластеры в воде не возникли.
Используя теорию межчастичных взаимодействий, которая описывает взаимодействие частиц и растворителя на границе раздела, команда установила, что в воде между отрицательно заряженными частицами кремнезема действительно возникает притяжение. Оно возникает из-за взаимодействия частиц с растворителем и превышает силу электростатического отталкивания. Это и приводит к образованию кластеров. Для положительно заряженных частиц в воде это взаимодействие с растворителем всегда является отталкивающим, и кластеры не образуются.
Потом команда задавалась вопросом, можно ли «переключить» воздействие на заряженные частицы таким образом, чтобы положительно заряженные частицы образовывали кластеры, а отрицательно заряженные — нет. Заменив воду на этанол, который ведет себя на границе раздела иначе, чем вода, ученые увидели, что положительно заряженные частицы диоксида кремния образуют кластеры, а отрицательно заряженные — нет.
По мнению ученых, исследование притяжения одинаково заряженных частиц повлияет на то, как мы представляем стабильность лекарственных препаратов и продуктов тонкой химии, на патологические нарушения, связанные с образованием молекулярных агрегатов при заболеваниях человека. Новые результаты важны для аккумуляторов, где взаимодействуют твердые электроды и жидкие электролиты. На фундаментальном уровне результаты важны для понимания таких процессов, как межчастичные и межмолекулярные взаимодействия, в том числе самосборка, кристаллизация и фазовое разделение (твердого от жидкого, например).
Соавтор работы Сида Ванг говорит: «Мне до сих пор интересно смотреть, как эти частицы притягиваются, хотя я видел это, наверно, тысячу раз».