反対のものは引きつけ、好きは反発しますか？ 科学者が物理学の基本原理を覆す

「反対の電荷は引き寄せます。 「同じ電荷は互いに反発し合う」というのは基礎物理学の基本原理です。 しかし、オックスフォード大学の新しい研究が最近雑誌に掲載されました。 自然界のナノテクノロジー、 彼は、溶液中の同様に荷電した粒子が実際に長距離にわたって互いに引き合う可能性があることを実証しました。

また驚くべきことに、研究チームは、溶媒に応じて、正に帯電した粒子と負に帯電した粒子の影響が異なることを発見しました。

これらの結果は、長年の考えを覆すだけでなく、自己組織化、結晶化、相分離など、さまざまな長さスケールにわたる分子間および分子間相互作用を含む一連のプロセスに直接的な影響を及ぼします。

オックスフォード大学化学科に拠点を置く研究チームは、マイナスに帯電した粒子は長距離で互いに引き付け合う一方、プラスに帯電した粒子は反発し、アルコールなどの溶媒ではその逆が起こることを発見した。

これらの結果は、同じ符号の電荷間の力はすべての距離で反発するという中心的な電磁原理に矛盾しているように見えるため、驚くべきものです。

実験観察

今回、研究チームは明視野顕微鏡を使用して、水中に浮遊するマイナスに帯電した小さなシリカ粒子を追跡し、粒子が互いに引きつけ合って規則正しい六角形のクラスターを形成していることを発見した。 しかし、正に帯電したアミノシリカ分子は水中でクラスターを形成しませんでした。

研究チームは、界面での溶媒の構造を考慮した粒子相互作用の理論を使用して、水中の負に帯電した粒子の場合、大きな分離距離では静電反発力を上回る引力が存在し、その結果、固まる。 水中の正に帯電した粒子の場合、この溶媒による反応は常に反発的であり、凝集体は形成されません。

この効果は pH に依存することが判明しました。チームは、pH を変更することで、負に帯電した粒子のクラスターの形成 (または非形成) を制御することができました。 pHに関係なく、正に帯電した分子はクラスターを形成しません。

溶剤の特殊効果とさらなる発見

当然のことながら、研究チームは、正に帯電した粒子がクラスターを形成する一方で、負に帯電した粒子がクラスターを形成しないように、荷電粒子に対する効果を切り替えることが可能かどうか疑問に思いました。 溶媒を水とは異なる界面挙動を持つエタノールなどのアルコールに変えることによって、これはまさに彼らが観察したことと同じでした。正に帯電したアミノシリカ分子は六角形のグループを形成しましたが、負に帯電したシリカはそうではありませんでした。

研究者らによると、この研究は、医薬品やファインケミカル製品の安定性やヒトの病気における分子凝集に関連する病理学的機能不全など、さまざまなプロセスについての考え方に影響を与える理解の根本的な再調整を伴うものであるという。 この新しい結果は、これまで測定不可能と考えられていた、溶媒によって生成される界面電位の符号やサイズなどの特性を調査できることの証拠も提供します。

「この根本的な発見に向けて全員で協力して針を動かしてきた大学院生と学部生を本当に誇りに思います」と、この研究を主導したマダビ・クリシュナン教授（オックスフォード大学化学科）は言う。勉強。

この研究の筆頭著者であるシダ・ワン氏（オックスフォード大学化学科）は、「何千回見た後でも、これらの粒子が互いに引き合う様子を見るのはとても興味深いと感じます」と語る。

参考文献: 「長距離電荷依存力が溶液中の物質のアドホック集合を駆動する」Syda Wang、Rowan Walker Gibbons、Bethany Watkins、Melissa Flynn、Madhavi Krishnan、2024 年 2 月 30 日、 自然ナノテクノロジー。
土井: 10.1038/s41565-024-01621-5