الأضداد تتجاذب، الإعجابات تتنافر؟ العلماء يقلبون المبدأ الأساسي للفيزياء

«التهم المتضادة تتجاذب؛ “الشحنات المتشابهة تتنافر” هو مبدأ أساسي في الفيزياء الأساسية. ومع ذلك، دراسة جديدة من جامعة أكسفورد، نشرت مؤخرا في المجلة تكنولوجيا النانو الطبيعة, لقد 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.

وإلى جانب قلب المعتقدات القديمة، فإن هذه النتائج لها آثار فورية على مجموعة من العمليات التي تنطوي على تفاعلات بين الجسيمات وبين الجزيئات عبر مقاييس طولية مختلفة، بما في ذلك التجميع الذاتي، والتبلور، وفصل الطور.

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

هذه النتائج مثيرة للدهشة لأنها تبدو وكأنها تتعارض 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 بشكل إيجابي لم 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 تفوق التنافر الكهروستاتيكي عند المسافات الفاصلة الكبيرة، مما يؤدي إلى تكوين الكتلة. بالنسبة للجسيمات الموجبة الشحنة في الماء، يكون هذا التفاعل الذي يحركه المذيبات دائمًا مثيرًا للاشمئزاز، ولا تتشكل أي مجموعات.

وجد 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 الجزيئات ذات الشحنة الموجبة لا تشكل مجموعات.

التأثيرات الخاصة بالمذيبات والاكتشافات الإضافية

وبطبيعة الحال، تساءل الفريق عما إذا كان من الممكن تبديل التأثير على الجسيمات المشحونة، بحيث تشكل الجسيمات الموجبة الشحنة مجموعات بينما لا تشكل الجسيمات السالبة ذلك. ومن خلال تغيير المذيب إلى كحولات، مثل الإيثانول، الذي له سلوك واجهة مختلف عن الماء، هذا هو بالضبط ما لاحظوه: جزيئات السيليكا الأمينية المشحونة إيجابيًا شكلت مجموعات سداسية، في حين أن السيليكا سالبة الشحنة لم تفعل ذلك.

وفقًا للباحثين، تتضمن هذه الدراسة إعادة معايرة أساسية في الفهم من شأنها أن تؤثر على طريقة تفكيرنا في عمليات مختلفة مثل استقرار المنتجات الصيدلانية والكيميائية الدقيقة أو الخلل المرضي المرتبط بالتجمع الجزيئي في الأمراض البشرية. 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.

يقول البروفيسور مادهافي كريشنان (قسم الكيمياء، جامعة أكسفورد)، الذي قاد الدراسة: “أنا فخور جدًا حقًا بطالبي الدراسات العليا، وكذلك الطلاب الجامعيين، الذين عملوا جميعًا معًا لتحريك الإبرة في هذا الاكتشاف الأساسي “.

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

المرجع: “القوة طويلة المدى المعتمدة على الشحنة تدفع تجميعًا مخصصًا 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