Gegensätze ziehen sich an, Gleiches stößt ab? Wissenschaftler stellen das Grundprinzip der Physik auf den Kopf

Eine neue Studie hat ein Grundprinzip der Physik auf den Kopf gestellt, indem sie zeigt, dass ähnlich geladene Teilchen sich in Lösung gegenseitig anziehen können, wobei der Effekt je nach Lösungsmittel zwischen positiven und negativen Ladungen variiert. Diese Entdeckung hat wichtige 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 hin, unser Verständnis elektromagnetischer Kräfte neu zu bewerten. Bildnachweis: Zhang Kang

„Gegensätzliche Ladungen ziehen sich an; „Gleiche Ladungen stoßen sich gegenseitig ab“ ist ein Grundprinzip der Grundlagenphysik. Allerdings wurde kürzlich eine neue Studie der Universität Oxford in der Fachzeitschrift veröffentlicht Natur Nanotechnologie, Er zeigte, dass ähnlich geladene Teilchen in Lösung sich tatsächlich über große Entfernungen gegenseitig anziehen können.

Überraschenderweise stellte das Team auch fest, dass der Effekt je nach Lösungsmittel für positiv und negativ geladene Teilchen unterschiedlich ist.

Diese Ergebnisse stellen nicht nur lang gehegte Überzeugungen auf den Kopf, sondern haben auch unmittelbare Auswirkungen auf eine Reihe von Prozessen, die intermolekulare und intermolekulare Wechselwirkungen über verschiedene Längenskalen hinweg beinhalten, einschließlich Selbstorganisation, Kristallisation und Phasentrennung.

Das Forscherteam am Department of Chemistry der Universität Oxford fand heraus, dass sich negativ geladene Teilchen in großen Entfernungen gegenseitig anziehen, während sich positiv geladene Teilchen gegenseitig abstoßen, während bei Lösungsmitteln wie Alkohol das Gegenteil der Fall war.

Diese Ergebnisse sind überraschend, weil sie dem zentralen elektromagnetischen Prinzip zu widersprechen scheinen, das besagt, dass die Kraft zwischen Ladungen mit demselben Vorzeichen bei allen Abständen abstoßend ist.

Experimentelle Beobachtungen

Mithilfe der Hellfeldmikroskopie hat das Team nun winzige, negativ geladene, in Wasser suspendierte Silikatpartikel aufgespürt und herausgefunden, dass sich die Partikel gegenseitig anziehen und so geordnete, sechseckige Cluster bilden. Allerdings bildeten die positiv geladenen Amino-Silica-Moleküle im Wasser keine Cluster.

Mithilfe der Theorie der Teilchenwechselwirkungen, die die Struktur des Lösungsmittels an der Grenzfläche berücksichtigt, zeigte das Team, dass für negativ geladene Teilchen in Wasser eine Anziehungskraft herrscht, die bei großen Trennungsabständen die elektrostatische Abstoßung überwiegt und zur Bildung von führt Klumpen. Für positiv geladene Teilchen in Wasser ist diese lösungsmittelgetriebene Reaktion immer abstoßend und es bilden sich keine Aggregate.

Es wurde festgestellt, dass dieser Effekt vom pH-Wert abhängt: Das Team konnte die Bildung (oder Nichtbildung) von Clustern negativ geladener Partikel durch Änderung des pH-Werts steuern. Unabhängig vom pH-Wert bilden positiv geladene Moleküle keine Cluster.

Besondere Wirkungen von Lösungsmitteln und weitere Entdeckungen

Natürlich fragte sich das Team, ob es möglich wäre, den Effekt auf geladene Teilchen so umzuschalten, dass positiv geladene Teilchen Cluster bilden, negativ geladene Teilchen hingegen nicht. Durch den Wechsel des Lösungsmittels zu Alkoholen wie Ethanol, die ein anderes Grenzflächenverhalten als Wasser aufweisen, beobachteten sie genau dies: Die positiv geladenen Amino-Siliciumdioxid-Moleküle bildeten hexagonale Gruppen, das negativ geladene Siliciumdioxid hingegen nicht.

Den Forschern zufolge beinhaltet diese Studie eine grundlegende Neukalibrierung des Verständnisses, die sich auf die Art und Weise auswirken wird, wie wir über verschiedene Prozesse denken, wie etwa die Stabilität von pharmazeutischen und feinchemischen Produkten oder pathologische Dysfunktionen im Zusammenhang mit der Molekülaggregation bei menschlichen Krankheiten. Die neuen Ergebnisse belegen auch die Fähigkeit, Eigenschaften des vom Lösungsmittel erzeugten elektrischen Grenzflächenpotentials zu untersuchen, wie z. B. sein Vorzeichen und seine Größe, die zuvor als nicht messbar galten.

„Ich bin wirklich sehr stolz auf meine Doktoranden und die Studenten im Grundstudium, die alle zusammengearbeitet haben, um diese grundlegende Entdeckung voranzutreiben“, sagt Professor Madhavi Krishnan (Fakultät für Chemie, Universität Oxford), der die Studie leitete Studie.

„Ich finde es immer noch faszinierend zu sehen, wie sich diese Teilchen gegenseitig anziehen, selbst nachdem ich es schon tausend Mal gesehen habe“, sagt Sida Wang (Fakultät für Chemie, Universität Oxford), Erstautorin der Studie.

Referenz: „Ladungsabhängige Kraft mit großer Reichweite treibt die Ad-hoc-Zusammensetzung von Materie in Lösung an“ von Syda Wang, Rowan Walker Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn und Madhavi Krishnan, 30. Februar 2024, Natur-Nanotechnologie.
doi: 10.1038/s41565-024-01621-5