قلبت دراسة جديدة مبدأً أساسيًا في الفيزياء رأسًا على عقب، من خلال إثبات أن الجسيمات المشحونة بشكل مماثل يمكن أن تجتذب بعضها البعض في المحلول، مع اختلاف التأثير بين الشحنات الموجبة والسالبة اعتمادًا على المذيب. ولهذا الاكتشاف آثار مهمة على العمليات العلمية المختلفة، بما في ذلك التجميع الذاتي والتبلور. يكشف البحث عن أهمية بنية المذيبات في الواجهة في تحديد التفاعلات بين الجسيمات، وتحدي المعتقدات السائدة منذ فترة طويلة، والإشارة إلى الحاجة إلى إعادة تقييم فهمنا للقوى الكهرومغناطيسية. الائتمان: تشانغ كانغ
«التهم المتضادة تتجاذب؛ “حيث تتنافر الشحنات” هو مبدأ أساسي في الفيزياء الأساسية. ومع ذلك، فقد نشرت دراسة جديدة من جامعة أكسفورد مؤخرًا في المجلة تكنولوجيا النانو الطبيعية أثبت أن الجسيمات المشحونة بشكل مماثل في المحلول يمكنها في الواقع أن تجتذب بعضها البعض لمسافات طويلة.
ومن المثير للدهشة أيضًا أن الفريق وجد أن التأثير يختلف بالنسبة للجسيمات المشحونة إيجابيًا وسلبيًا، اعتمادًا على المذيب.
بالإضافة إلى قلب المعتقدات القديمة رأسًا على عقب، فإن هذه النتائج لها آثار فورية على مجموعة من العمليات التي تتضمن تفاعلات بين الجسيمات وبين الجزيئات بمقاييس طولية مختلفة، بما في ذلك التجميع الذاتي، والتبلور، وفصل الطور.
واكتشف فريق الباحثين، ومقره قسم الكيمياء في جامعة أكسفورد، أن الجسيمات سالبة الشحنة تتجاذب مع بعضها البعض على مسافات كبيرة، بينما تتنافر الجسيمات المشحونة إيجابيا مع بعضها البعض، بينما كان العكس هو الحال بالنسبة للمذيبات مثل الكحوليات.
هذه النتائج مثيرة للدهشة لأنها تبدو وكأنها تتناقض مع المبدأ الكهرومغناطيسي المركزي الذي ينص على أن القوة بين الشحنات ذات الإشارة نفسها تكون تنافرية عند جميع الفواصل.
الملاحظات التجريبية
الآن، باستخدام المجهر ذو المجال الساطع، قام الفريق بتتبع جسيمات السيليكا الدقيقة سالبة الشحنة المعلقة في الماء، ووجدوا أن الجزيئات تجتذب بعضها البعض لتشكل مجموعات مرتبة سداسية. ومع ذلك، فإن جزيئات السيليكا الأمينية المشحونة إيجابيا لا تشكل مجموعات في الماء.
وباستخدام نظرية التفاعلات بين الجسيمات التي تأخذ في الاعتبار بنية المذيب عند السطح البيني، أثبت الفريق أنه بالنسبة للجسيمات سالبة الشحنة في الماء، هناك قوة جاذبة تتجاوز التنافر الكهروستاتيكي عند المسافات الفاصلة الكبيرة، مما يؤدي إلى تكوين مجموعات. بالنسبة للجسيمات الموجبة الشحنة في الماء، يكون هذا التفاعل الناتج عن المذيبات دائمًا مثيرًا للاشمئزاز ولا تتشكل أي مجموعات.
وتبين أن هذا التأثير يعتمد على الرقم الهيدروجيني: فقد تمكن الفريق من التحكم في تكوين (أو عدم تكوين) مجموعات من الجسيمات سالبة الشحنة عن طريق تغيير الرقم الهيدروجيني. وبغض النظر عن الرقم الهيدروجيني، فإن الجسيمات المشحونة إيجابيا لم تشكل مجموعات.
التأثيرات الخاصة بالمذيبات والنتائج الأخرى
وبطبيعة الحال، تساءل الفريق عما إذا كان من الممكن تغيير التأثير على الجسيمات المشحونة، بحيث تشكل الجسيمات المشحونة إيجابيا مجموعات، ولا تشكل الجسيمات سالبة الشحنة ذلك. ومن خلال استبدال المذيب بالكحوليات، مثل الإيثانول، الذي له سلوك واجهة مختلف مع الماء، هذا هو بالضبط ما لاحظوه: جزيئات السيليكا الأمينية المشحونة إيجابيًا شكلت مجموعات سداسية، في حين لم يكن هذا هو الحال بالنسبة للسيليكا سالبة الشحنة.
وفقًا للباحثين، تتضمن هذه الدراسة إعادة معايرة أساسية للفهم من شأنها أن تؤثر على طريقة تفكيرنا في عمليات مختلفة 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 الناتجة عن المذيب، مثل علامته وحجمه، والتي كان يُعتقد سابقًا أنها غير قابلة للقياس.
وقال البروفيسور مادهافي كريشنان (قسم الكيمياء، جامعة أكسفورد)، الذي قاد الدراسة: “أنا فخور جدًا حقًا بطالبي الدراسات العليا، وكذلك الطلاب الجامعيين، الذين عملوا جميعًا معًا لتعزيز هذا الاكتشاف الأساسي. “.
وقالت سيدا وانغ (قسم الكيمياء، جامعة أكسفورد)، أحد المؤلفين الأوائل للدراسة: “ما زلت أجد أنه من الرائع رؤية هذه الجسيمات تتجاذب مع بعضها البعض، حتى بعد رؤيتها ألف مرة. »
المرجع: “القوة طويلة المدى المعتمدة على الشحنة تدفع التجميع المصمم للمادة في المحلول” بقلم سيدا وانج وروان ووكر جيبونز وبيثاني واتكينز وميليسا فلين ومادهافي كريشنان، 30 فبراير 2024، تكنولوجيا النانو الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41565-024-01621-5
