كسرت دراسة جديدة مبدأً أساسيًا في الفيزياء مفاده أن الجسيمات المشحونة بشكل مماثل تنجذب لبعضها البعض في المحلول، وتتراوح بين الشحنات الموجبة والسالبة اعتمادًا على المذيب. وهذا الاكتشاف له آثار مهمة على مجموعة متنوعة من العمليات العلمية، بما في ذلك التجميع الذاتي والبلورة. يكشف البحث عن أهمية بنية المذيبات في الواجهة، والتي تحدد تفاعلات الجسيمات، مما يتحدى المعتقدات السائدة منذ فترة طويلة ويشير إلى الحاجة إلى إعادة تقييم فهمنا للقوى الكهرومغناطيسية. الائتمان: تشانغ كونغ

“التهم المضادة تجتذب؛ “الشحنات المتشابهة تتنافر” هو مبدأ أساسي في الفيزياء الأساسية. ومع ذلك، فقد نشرت دراسة جديدة من جامعة أكسفورد مؤخرًا في المجلة تكنولوجيا النانو الطبيعية, لقد ثبت أن الجسيمات المشحونة بشكل مماثل في المحلول يمكنها في الواقع أن تجتذب بعضها البعض لمسافات طويلة.

والمثير للدهشة أن الفريق وجد أن التأثير كان مختلفًا بالنسبة للجزيئات المشحونة إيجابيًا وسلبيًا اعتمادًا على المذيب.

بالإضافة إلى قلب المعتقدات القديمة، فإن هذه النتائج لها آثار فورية على مجموعة من العمليات التي تنطوي على تفاعلات طويلة المدى بين الجسيمات والجزيئات، بما في ذلك التجميع الذاتي، والتبلور، وفصل الطور.

ووجد فريق الباحثين، ومقره قسم الكيمياء بجامعة أكسفورد، أن الجسيمات سالبة الشحنة تتجاذب مع بعضها البعض عند مسافات كبيرة، بينما تتنافر الجسيمات المشحونة إيجابيا، بينما العكس هو الصحيح بالنسبة للمذيبات مثل الكحول.

هذه النتائج مثيرة للدهشة لأنها تتناقض مع المبدأ الكهرومغناطيسي المركزي القائل بأن القوة بين الشحنات ذات الإشارة نفسها تكون تنافرية عند جميع الفواصل.

الملاحظات التجريبية

الآن، باستخدام المجهر ذي المجال الساطع، لاحظ الفريق جسيمات السيليكا النانوية سالبة الشحنة المعلقة في الماء، ووجدوا أن الجسيمات تشكل مجموعات منظمة سداسية. ومع ذلك، فإن جزيئات السيليكا المشحونة إيجابيا لا تشكل مجموعات في الماء.

وباستخدام نظرية التفاعلات بين الجسيمات التي تأخذ في الاعتبار بنية المذيب عند السطح البيني، أثبت الفريق أن الجسيمات سالبة الشحنة في الماء لها قوة جاذبة تتغلب على التنافر الكهروستاتيكي عند المسافات الفاصلة الكبيرة وتؤدي إلى تكوين الكتلة. بالنسبة للجسيمات المشحونة إيجابيًا في الماء، يكون هذا التفاعل الذي يحركه المذيبات دائمًا مثيرًا للاشمئزاز، ولا تتشكل أي مجموعات.

وجد أن هذا التأثير يعتمد على الرقم الهيدروجيني: من خلال تغيير الرقم الهيدروجيني، تمكن الفريق من التحكم في تكوين (أو عدم تكوين) مجموعات من الجزيئات سالبة الشحنة. وحتى عند درجة الحموضة، لا تشكل الجسيمات المشحونة إيجابيا مجموعات.

التأثيرات الخاصة بالمذيبات والنتائج الإضافية

وبطبيعة الحال، تساءل الفريق عما إذا كان بإمكانهم عكس تأثير الجسيمات المشحونة، بحيث تشكل الجسيمات المشحونة إيجابيًا مجموعات، بينما لا تشكل المجموعات السالبة ذلك. ومن خلال تغيير المذيبات إلى كحولات، مثل الإيثانول، والتي لها سلوك سطحي مختلف عن الماء، هذا ما لاحظوه: جزيئات السيليكا المشحونة إيجابيًا شكلت مجموعات سداسية، لكن السيليكا سالبة الشحنة لم تفعل ذلك.

وبحسب الباحثين، تمثل هذه الدراسة إعادة معايرة أساسية في الفهم تؤثر على طريقة تفكيرنا في عمليات مثل استقرار المستحضرات الصيدلانية والمواد الكيميائية الدقيقة أو الخلل المرضي المرتبط بالتجمع الجزيئي في الأمراض التي تصيب الإنسان. توفر النتائج الجديدة أيضًا دليلاً على القدرة على استكشاف خصائص الإمكانات الكهربائية البينية بسبب المذيب، مثل هويته وحجمه، والتي كان يُعتقد سابقًا أنها غير قابلة للقياس.

يقول البروفيسور مادهافي كريشنان (قسم الكيمياء، جامعة أكسفورد)، الذي قاد الدراسة: “أنا فخور جدًا بطلابي الخريجين والطلاب الجامعيين الذين عملوا جميعًا معًا لتحريك الإبرة نحو هذا الاكتشاف الأساسي. . “

يقول المؤلف الأول للدراسة، تشيدا وانغ (قسم الكيمياء، جامعة أكسفورد): “حتى بعد رؤيتها ألف مرة، ما زلت أجد أنه من الرائع رؤية هذه الجسيمات تتجاذب”.

المرجع: “القوة بعيدة المدى المعتمدة على الشحنة تحل ترتيب المادة”، بقلم سيتا وانج، وروان ووكر جيبونز، وبيثاني واتكينز، وميليسا فلين، ومادهافي كريشنان، 30 فبراير 2024. تكنولوجيا النانو الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41565-024-01621-5