Badanie cząsteczek: podobieństwa też się przyciągają

Jak powszechnie wiadomo, cząsteczki naładowane dodatnio i ujemnie przyciągają się wzajemnie, natomiast cząsteczki o jednakowych ładunkach - odpychają się.

Naukowcy z wydziału chemii Oxford University wykazali jednak, że podobnie naładowane cząstki zawieszone w cieczach mogą przyciągać się nawzajem, przy czym obserwowany efekt różni się w zależności od rozpuszczalnika i znaku ładunku. Za pomocą mikroskopii w jasnym polu zespół prześledził ujemnie naładowane mikrocząstki krzemionki zawieszone w wodzie i odkrył, że gdy są od siebie oddalone, przyciągają się nawzajem, tworząc sześciokątnie ułożone skupiska. Jednakże dodatnio naładowane cząstki krzemionki nie tworzyły podobnych skupisk w wodzie.

Natomiast w przypadku rozpuszczalników, takich jak alkohole, sytuacja jest odwrotna: ładunki ujemne się odpychają, za to dodatnie - przyciągają.

Nowe odkrycie (https://www.nature.com/articles/s41565-024-01621-5) nie tylko obala dotychczasowe przekonania, ale również może znaleźć bezpośrednie zastosowanie w procesach obejmujących interakcje międzycząsteczkowe zachodzące w roztworach, na przykład samoorganizację, krystalizację czy rozdzielanie faz.

Korzystając z teorii oddziaływań międzycząstkowych uwzględniającej strukturę rozpuszczalnika na granicy faz, zespół ustalił, że w przypadku ujemnie naładowanych cząstek w wodzie istnieje siła przyciągania, która przy dużych odległościach przewyższa odpychanie elektrostatyczne, co prowadzi do tworzenia klastrów. W przypadku dodatnio naładowanych cząstek w wodzie ta interakcja związana z rozpuszczalnikiem jest zawsze odpychająca i nie tworzą się żadne skupiska.

Efekt przyciągania zależy od pH: zespół był w stanie kontrolować powstawanie (lub nie) skupisk cząstek ujemnie naładowanych poprzez zmianę pH. Bez względu na pH, dodatnio naładowane cząstki nie tworzyły skupisk.

Z kolei zmiana rozpuszczalnika na etanol (alkohol etylowy) sprawiła, że to dodatnio naładowane cząstki aminowanej krzemionki tworzyły sześciokątne skupiska, podczas gdy ujemnie naładowana krzemionka - nie.

Według autorów zjawisko to oznacza fundamentalną zmianę myślenia o procesach tak różnych, jak stabilność produktów farmaceutycznych i produktów chemicznych czy patologiczne złogi cząsteczek występujące w ludzkich chorobach. Nowe odkrycia dostarczają również dowodów na możliwość badania właściwości międzyfazowego potencjału elektrycznego spowodowanego rozpuszczalnikiem, takich jak jego znak i wielkość, które wcześniej uważano za niemierzalne.

"Jestem naprawdę bardzo dumny z moich dwóch doktorantów, a także studentów, którzy wspólnie pracowali nad tym fundamentalnym odkryciem" - zaznaczył prof. Madhavi Krishnan (Wydział Chemii Uniwersytetu Oksfordzkiego), który kierował badaniem.(PAP)

Paweł Wernicki