Ученые из Великобритании обнаружили, что в некоторых типах растворов заряды одного знака, вопреки закону Кулона, могут притягиваться друг к другу. К тому же может нарушаться принцип зарядовой симметрии: в одних растворах положительные заряды притягиваются и отталкиваются отрицательные, а в других — наоборот.

Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.

Согласно закону Кулона одинаковые по знаку заряды в вакууме должны отталкиваться, а разные — притягиваться. Аналогично и в растворах, на относительно больших расстояниях, где еще слабы ван-дер-ваальсовые силы, ожидается, что заряды одного знака должны отталкиваться. Такое представление соответствует теории Дерягина, Ландау, Фервея, Овербека (ДЛФО) об устойчивости коллоидных систем.

Впрочем, на протяжении десятилетий появлялись сообщения о притяжении между одноименно заряженными частицами на масштабах от нано- до микрометров, например, между нуклеиновыми кислотами, липосомами, полимерами и коллоидными частицами в водных средах, содержащих низкие концентрации одновалентной соли — где ожидалось, что теория ДЛФО будет верна.

Межчастичные взаимодействия в растворах могут нарушать зарядовую симметрию / Sida Wang et al. / Nature Nanotechnology, 2024

Группа ученых под руководством Мадхави Кришнана (Madhavi Krishnan) из Оксфордского университета провела систематическое исследование поведения заряженных частиц в растворах в зависимости от параметров этих растворов.

Ученые выяснили, что отрицательно заряженные частицы коллоидного диоксида кремния, растворенные в воде, могут начать притягиваться друг к другу при определенном уровне pH. Эти частицы формировали устойчивые гексагональные кластеры, что противоречит предсказанию ДЛФО. Такое поведение частиц химики объяснили возникновением дальнодействующей силы притяжения, которая на более близких расстояниях уступает кулоновской силе отталкивания, что в результате приводит к формированию устойчивых структур.

Зависимость межчастичного взаимодействия от рН раствора / Sida Wang et al. / Nature Nanotechnology, 2024

Что интересно, положительно заряженные частицы отталкивались при любом уровне pH в водных растворах. При этом в спиртовых растворах ученые наблюдали обратную картину: положительно заряженные частицы притягивались, а отрицательные отталкивались. Ученые пришли к выводу, что межчастичное притяжение между идентичными, номинально отталкивающимися частицами можно ожидать, когда знак межфазного электрического потенциала в конкретном растворителе совпадает со знаком заряда частицы.

Притяжение отрицательных зарядов в водных растворах заменяется на притяжение положительных зарядов в спиртовых / Sida Wang et al. / Nature Nanotechnology, 2024