Het zijn niet alleen tegenpolen die elkaar aantrekken: nieuw onderzoek toont aan dat gelijkgeladen deeltjes samen kunnen komen

‘Tegenovergestelde ladingen trekken elkaar aan; gelijke ladingen stoten elkaar af’ is een fundamenteel principe van de basisfysica. Maar een nieuwe studie van de Universiteit van Oxford, vandaag gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, heeft aangetoond dat vergelijkbaar geladen deeltjes in oplossing elkaar over lange afstanden kunnen aantrekken. Net zo verrassend ontdekte het team dat het effect verschillend is voor positief en negatief geladen deeltjes, afhankelijk van het oplosmiddel.

Naast het omverwerpen van langgekoesterde overtuigingen, hebben deze resultaten directe implicaties voor een reeks processen waarbij interdeeltjes- en intermoleculaire interacties op verschillende lengteschalen betrokken zijn, waaronder zelfassemblage, kristallisatie en fasescheiding.

Het team van onderzoekers, verbonden aan de afdeling scheikunde van Oxford, ontdekte dat negatief geladen deeltjes elkaar op grote afstanden aantrekken, terwijl positief geladen deeltjes elkaar afstoten, terwijl het omgekeerde het geval was voor oplosmiddelen zoals alcoholen. Deze bevindingen zijn verrassend omdat ze in tegenspraak lijken te zijn met het centrale elektromagnetische principe dat de kracht tussen ladingen van hetzelfde teken bij alle scheidingen afstotend is.

Met behulp van helderveldmicroscopie volgde het team negatief geladen silicamicrodeeltjes gesuspendeerd in water en ontdekte dat de deeltjes elkaar aantrokken en hexagonaal gerangschikte clusters vormden. Positief geladen geamineerde silicadeeltjes vormden echter geen clusters in water.

Met behulp van een theorie van interacties tussen deeltjes die rekening houdt met de structuur van het oplosmiddel op het grensvlak, stelde het team vast dat er voor negatief geladen deeltjes in water een aantrekkingskracht bestaat die opweegt tegen de elektrostatische afstoting bij grote scheidingen, wat leidt tot clustervorming. Voor positief geladen deeltjes in water is deze door oplosmiddelen aangedreven interactie altijd afstotend en vormen zich geen clusters.

Dit effect bleek pH-afhankelijk te zijn; het team kon de vorming (of niet) van clusters voor negatief geladen deeltjes controleren door de pH te variëren. Ongeacht de pH vormden de positief geladen deeltjes geen clusters.

Uiteraard vroeg het team zich af of het effect op geladen deeltjes zodanig kon worden veranderd dat de positief geladen deeltjes clusters zouden vormen en de negatieve deeltjes niet. Door het oplosmiddel te veranderen in alcoholen, zoals ethanol, dat een ander grensvlakgedrag heeft dan water, was dit precies wat ze waarnamen: positief geladen geamineerde silicadeeltjes vormden hexagonale clusters, terwijl negatief geladen silica dat niet deed.

Volgens de onderzoekers impliceert deze studie een fundamentele herkalibratie van het begrip die van invloed zal zijn op de manier waarop we denken over processen die zo verschillend zijn als de stabiliteit van farmaceutische en fijnchemische producten of de pathologische storing die gepaard gaat met moleculaire aggregatie bij ziekten bij de mens. De nieuwe bevindingen leveren ook bewijs voor het vermogen om eigenschappen van de elektrische grensvlakpotentiaal als gevolg van het oplosmiddel te onderzoeken, zoals het teken en de grootte ervan, waarvan voorheen werd gedacht dat ze onmeetbaar waren.

Professor Madhavi Krishnan (Departement Scheikunde, Universiteit van Oxford), die de studie leidde, zegt: “Ik ben echt heel trots op mijn twee afgestudeerde studenten, evenals op de studenten, die allemaal hebben samengewerkt om deze fundamentele ontdekking verder te brengen. .”

Sida Wang (Departement Scheikunde, Universiteit van Oxford), eerste auteur van het onderzoek, zegt: “Ik vind het nog steeds fascinerend om te zien hoe deze deeltjes elkaar aantrekken, zelfs nadat ik dit al duizend keer heb gezien.”