На відміну від людських стосунків, фізика елементарних частинок сувора, коли йдеться про вислів “як відштовхується, так і притягується”. Так само як однакові полюси будь-яких двох магнітів чинять опір дотику, негативні та позитивні заряди відчувають універсальну огиду до власної компанії. Проте хіміки з Оксфордського університету відкрили казку в пробірці, яка демонструє, що любов завжди знайде шлях. Навіть між частинками з однаковим зарядом.
“Я все ще знаходжу захоплюючим спостерігати, як ці частинки притягуються, навіть бачивши це тисячу разів”, – каже провідний автор дослідження, Сіда Ванг (Sida Wang).
Підвісьте кілька електронів у повному вакуумі, і вони стануть електромагнітними кинджалами, відштовхуючи один одного з силою, що описується законом Кулона. Аналогічно, протони в порожнечі простору також будуть розштовхуватися завдяки їхнім спільним позитивним зарядам.
З іншого боку, змішайте їх з частинками, в яких переважають різні заряди, і спостерігайте за феєрверком. Буквально – хімія була б не такою, якби закон Кулона не керував мильними операми атомних любовних трикутників.
Щоб спростити, хіміки припускають, що цей закон справедливий як для заряджених частинок, що плавають у розчині, так і для тих самих частинок у вакуумі. Ван та його команда розглянули можливість того, що правила можуть бути не такими простими, коли йдеться про розчинник.
У низці експериментів з частинками кремнезему в різних типах розчинів дослідники вимірювали такі фактори, як кислотність і молекулярна структура розчинника, щоб визначити силу взаємодії частинок. За допомогою оптичного мікроскопа вони також розрахували розподіл густини частинок.
На підставі їхніх спостережень було зрозуміло, що негативно заряджені частинки кремнезему у розчинах на водній основі не розштовхувались, як це було б в ідеальному порожньому просторі. Далеко не так – вони насправді зійшлися. Можливе пояснення можна знайти в дослідженні рН розчину, який впливав на силу притягання при зміні від відносно кислого 4 до досить основного 10.
Дивно, але частинки кремнезему, налаштовані на позитивний заряд, взагалі не поводилися таким чином, принаймні у водних розчинах. Проте подальші експерименти з використанням спирту як розчинника дали чудову можливість для позитивно заряджених частинок зблизитися. Ці нововиявлені сили тяжіння спостерігалися на великих відстанях, і їм протидіяло очікуване відштовхування на менших відстанях.
Хоча взаємодії між частинками та розчинником є складними, очевидно, що вони достатньо значні, щоб подолати постійні кулонівські сили, які зазвичай розривають частинки, у яких домінує однаковий заряд. У тому, що дослідники називають «силою електросольватації», структура розчину та його власні заряджені компоненти взаємодіють із поверхнею зважених частинок таким чином, що створює чисту силу тяжіння, втягуючи кремнезем у кластери, незважаючи на їх відштовхування. .
Отримані висновки можуть мати значні наслідки майже в будь-якій галузі науки, де рух заряджених частинок у розчині є важливим, потенційно сприяючи прогресу в будь-якій галузі, від фармацевтичних розробок до розуміння захворювань і розробки нових видів нанотехнологій.
«Однаково заряджені молекули в розчині можуть насправді відчувати протиінтуїтивне сильне та довгострокове тяжіння, навіть за фізіологічних умов», — підсумовують Ванг та його колеги.