Вчені виявили, що подібні заряджені частинки відштовхуються

Принцип, згідно з яким протилежні заряди притягуються, а однакові – відштовхуються, має деякі винятки, як показали хіміки, ускладнюючи те, що вважається фундаментальним законом фізики. Мало що може зробити хіміків щасливішими, ніж перемога над фізиками, тому це відкриття, мабуть, викликало велике захоплення лише з цієї причини, а також може мати значні біологічні наслідки.

Спостереження про те, що протилежності притягуються, а симпатії відштовхуються, прийшло до нас з електростатики та магнетизму. У застосуванні до людських взаємин це настільки звично, що ми співаємо про це. Однак ми знаємо, що для психології ці закономірності дуже сильно залежать від обставин, і виявляється, що те ж саме відбувається на молекулярному рівні.

“Оскільки очікується, що однаково заряджені об’єкти у вакуумі будуть відштовхуватися незалежно від того, позитивний чи негативний знак заряду вони несуть, очікується, що однаково заряджені частинки в розчині також повинні монотонно відштовхуватися”, – пише команда на чолі з професором Оксфордського університету Мадхаві Крішнаном (Madhavi Krishnan). Однак вони довели, що це не так.

Під керівництвом Крішнана двоє аспірантів виявили, що негативно заряджені частинки можуть притягуватися одна до одної в слабокислій воді з низькою концентрацією солі.

Що ще більш дивно, позитивно заряджені частинки продовжують відштовхуватися одна від одної, принаймні до тих пір, поки їх не напоїти. Після того, як заряди помістили в спиртовий розчин, позитивні заряди демонструють притягання на великі відстані, тоді як негативні повертаються до звичайного відштовхування.

Крішнан та його колеги розмістили заряди на мікрочастинках кремнезему шириною 5 мікрометрів (0,0002 дюйма) і підвісили їх або у воді, або у двох видах спирту. Електростатичне відштовхування розштовхувало частинки з однаковим зарядом, відповідно до законів, встановлених у 19 столітті. Незважаючи на це, негативно заряджені частинки кремнезему у воді формувалися в гексагональні кластери, хоча ефект зникав, коли рН води опинявся за межами вузького вікна, близько 5-6,5. Кластери мають порожнечі всередині, що доводить, що притягання може відбуватися навіть тоді, коли вони не перебувають у прямому контакті. В етанолі та ізопропанолі саме негативно заряджені частинки збиралися разом.

Щось інше, що вони називають “силою електророзчинення”, переважало над звичайним відштовхуванням, але тільки в правильній рідині.

Ми знаємо, що електровідштовхування можна подолати, інакше атоми не могли б мати більше одного протона в ядрі. Однак потужна сила, яка робить можливими великі ядра, діє лише в масштабах 10-15 метрів. Сила Ван-дер-Ваальса, найбільш відома тим, що дозволяє геконам чіплятися за стелю, діє на набагато більших масштабах, ніж сильне притягання, але вона все ще занадто слабка на досліджуваному тут діапазоні, щоб бути відповідальною.

Хоча ефект дуже залежить від рідини, в якій розподілені заряди, самі частинки, схоже, не мають значення, якщо вони несуть заряд. Команда повторила свої результати з поверхнями, покритими поліпептидами та поліелектролітами, і навіть змінила ефект на протилежний, послідовно покриваючи частинки шарами, які несуть позитивний або негативний заряд.

Такі експерименти рідко з’являються з нізвідки: важко отримати фінансування на дослідження того, у що ви не маєте жодних підстав вірити, що воно відбудеться. Автори зазначають: “Протягом десятиліть були зроблені послідовні повідомлення про притягання між подібними зарядженими частинками від нанометрового до мікрометрового масштабу”. Багато теоретичних досліджень намагалися пояснити ці спостереження, але безуспішно.

Попередні приклади стосувалися більш складних матеріалів, в тому числі нуклеїнових кислот, будівельних блоків життя. Оксфордська команда прагнула спростити, що має полегшити пошук причини. У попередній статті вони передбачили, що розчинник “може зробити істотний внесок у загальну вільну енергію взаємодії двох об’єктів, що наближаються і несуть електричний заряд”, і цього може бути достатньо для того, щоб подібні заряди притягувалися. Тепер у них є доказ.

Агрегації мікрочастинок кремнезему самі по собі, можливо, не є важливими, але автори відзначають, що білки, які несуть чисті негативні заряди, як повідомлялося, збираються разом, ймовірно, під впливом тих же ефектів. Автори навіть припускають, що кластеризація та самозбірка, які ми бачимо тут, могли мати відношення до об’єднання молекул, що спричинило появу першого життя.

Перший автор статті Сіда Ванг (Sida Wang) сказала: “Я все ще знаходжу захоплюючим спостерігати за тим, як ці частинки притягуються, навіть якщо бачила це тисячу разів”.