全景科学 ·

同性相吸……?

○ 在1:1的电解质溶液中,两个带同种电荷但不同电荷量的球形金属纳米粒子会相互吸引。| 图片来源:dos Santos et al.


来源丨原理(ID:principia1687)


当我们第一次在物理课堂上接触电荷这个概念时,学到的第一个也是最重要的一个性质就是——同性相斥,异性相吸


但在一项新的研究中,物理学家发现在稀释的电解质溶液中,带有同种电荷但不同电量的两个球形金属纳米粒子会相互吸引。简而言之,其背后的原因在于,带有更多电荷的纳米粒子会将带电较少的纳米粒子的原子核心极化,从而改变了纳米粒子之间的相互作用。



这一发现发表于《物理评论快报》,新论文阐明了一种非常有悖直觉的行为,这在以前被认为是不可能的。


不过,这并不是研究人员第一次观察到带同种电荷的带电粒子之间相互吸引。早在1980年就有研究表明,在含有多价反离子的电解质溶液中,同种带电粒子可以相互吸引。多价反离子是指可以失去或得到一个以上的电子从而带有电荷的离子,例如±2或±3,而电荷的符号与另一个离子的符号相反。例如,铝离子Al³⁺是氯离子Cl⁻的多价反离子,它们能共同形成氯化铝AlCl₃。当多价反离子是电解质溶液的一部分时,它们的电荷会以一种相关性的方式发生波动,导致溶液中的带有同种电荷的带电粒子相互吸引。


在新的实验中,研究人员使用了比例为1:1的电解质溶液,即它只包含单价的反离子,换句话说,只有电荷为+1和-1的离子。由于在1:1的溶液中,离子之间的静电相关效应可以忽略不计,所以我们一般认为在这种溶液中,带有同种电荷的带电粒子总是相互排斥的。为了支持这一假设,在新的研究中,研究人员展示了,在1:1的电解质溶液中,同种电荷的金属板总是相互排斥。


○ 两块厚度为d,表面电荷密度分别为σa、σb、σc、σd的金属板,其电荷密度的值取决于两板之间的距离。| 图片来源:dos Santos et al.


到目前为止,这一领域的所有研究都只对带有同种电荷且具有相同电荷量的情况进行了研究。但在新的研究中,研究人员观察了当两个带有同种电荷的带电粒子具有不等的电荷时会发生什么。


他们发现,两个具有不等带电量的同种电荷粒子会在1:1电解质溶液中相互靠近,带电量较强的纳米粒子会极化带电量较弱的纳米粒子的金属核心,这会使核心中的大多数电子会集结在一边。使得纳米粒子的一边带一点正电,另一边带一点负电。由极化诱导的纳米粒子核上的非均匀电荷分布,会导致两个带电不均匀的纳米粒子相互吸引,哪怕这两个粒子所带有的总电荷量都为正或者都为负。这种同性相吸的现象只发生在带有不均匀电荷的球形金属纳米粒子之间,而不存在于金属板之间这表明了曲率和中心核心的存在对这一反直觉的结果的重要性。


金纳米粒子对于各种医疗应用的研发,如癌症治疗和药物输送方面都非常重要,因此新发现的结果除了是一个有趣的理论发现之外,也非常有助于对金纳米粒子的应用。金纳米粒子对某些生物表面,如包裹着细胞的磷脂膜,具有很强的亲和力。在这项新的研究中,研究人员发现,带负电荷的金纳米粒子在通常情况下会被磷脂膜的负电荷表面所排斥;然而,在一定条件下,金纳米粒子与膜之间会互相吸引。他们计划在未来的研究中将对这种效应及其意义进行进一步的探索。


研究人员认为,他们描述的机理或许对理解生物颗粒悬浮体的稳定性也很重要据他们介绍,通常会通过同性电荷的相互排斥性来稳定纳米颗粒悬浮体,基本上粒子的表面电荷会使它们彼此排斥,不粘在一起;但利用新的发现,他们展示出,如果悬浮体的大小和电荷足够多分散,那么带有同种电荷的带电纳米粒子实际上可以相互吸引,粘在一起并沉淀。


在这一研究过程中,研究人员面临的一个挑战是对新的结果进行定量建模,因为传统方法在计算上非常昂贵。为了解决这个问题,他们研发了一种改良过的数值近似法来计算纳米粒子之间的作用力,这种方法的计算速度比传统方法快几个数量级。这种新方法也为研究金属纳米粒子与生物膜之间的作用力以及探索更复杂的溶液提供了优势。他们计划未来将会对这两个领域进行进一步的研究。


论文的作者Yan Levin教授说:“我们团队对胶体系统有着广泛的研究,从模拟到理论都有涉及。到目前为止,我们已经从理论上研究了极化对1:1电解液中的金属粒子的影响。由于这类溶液的相关性效应并不是很强,因此尚且能用我们的理论工具处理。但是在等更复杂的溶液中,比如是3:1电解质,离子之间的相关性效应就会变得非常重要,而在这种情况下我们的理论工具是不够用的。因此,我们正在发展新的模拟方法来研究金属纳米粒子之间的相互作用。”


原文链接:

[1] https://phys.org/news/2019-07-counterintuitive-case.html


本文转载自公众号“原理”(ID:principia1687)




参与评论