Als het gaat om elektrische lading, er is één overheersend thema:tegenpolen trekken elkaar aan, en gelijkaardige ladingen stoten af. Maar in een nieuwe studie natuurkundigen hebben de verrassende ontdekking gedaan dat twee bolvormige, gelijkgeladen metalen nanodeeltjes met ongelijke ladingen elkaar kunnen aantrekken in een verdunde elektrolytoplossing. De reden, Kortom, is dat het sterker geladen nanodeeltje de metalen kern van het zwak geladen nanodeeltje polariseert, die de interactie tussen de nanodeeltjes verandert.

De onderzoekers, Alexandre P. dos Santos en Yan Levin aan de Federale Universiteit van Rio Grande do Sul in Brazilië, hebben een artikel gepubliceerd over de attractie met dezelfde lading in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

"Ons artikel licht een zeer contra-intuïtief gedrag toe dat voorheen als onmogelijk werd beschouwd, "Liven vertelde" Phys.org .

Dit is niet de eerste keer dat onderzoekers aantrekking tussen gelijkgeladen deeltjes hebben waargenomen. Al in 1980, onderzoek heeft aangetoond dat gelijkgeladen deeltjes elkaar kunnen aantrekken wanneer ze in een elektrolytoplossing worden geplaatst die multivalente tegenionen bevat. Een multivalent tegenion is een ion dat meer dan één elektron kan verliezen of winnen om een ​​lading aan te nemen zoals ±2 of ±3, en het teken van de lading is tegengesteld aan dat van een ander ion. Bijvoorbeeld, het aluminium ion Al ³⁺ is een meerwaardig tegenion voor het chloride-ion Cl ^- , die samen aluminiumchloride vormen, AlCl ₃ . Wanneer multivalente tegenionen deel uitmaken van een elektrolytoplossing, hun ladingen kunnen op een gecorreleerde manier fluctueren, waardoor gelijkgeladen deeltjes in de oplossing elkaar aantrekken.

Echter, in de nieuwe demonstratie, de elektrolytoplossing is 1:1, wat betekent dat het alleen monovalente tegenionen bevat, d.w.z., ionen die slechts ±1 lading hebben. Aangezien elektrostatische correlaties tussen ionen in 1:1-oplossingen verwaarloosbaar zijn, algemeen is aangenomen dat gelijkgeladen deeltjes in deze oplossingen elkaar altijd afstoten. Ter ondersteuning van deze veronderstelling, in de nieuwe studie toonden de onderzoekers aan dat gelijkgeladen metalen platen in een 1:1 elektrolytoplossing elkaar altijd afstoten.

Tot nu, alle eerdere onderzoeken op dit gebied hebben alleen situaties onderzocht waarin de twee gelijkgeladen deeltjes dezelfde ladingsgrootte hebben. In de nieuwe studie de onderzoekers keken naar wat er gebeurt als de twee deeltjes ongelijke ladingen hebben (hoewel nog steeds van hetzelfde teken).

Ze vonden dat, wanneer twee deeltjes met ongelijke ladingen in een 1:1 elektrolytoplossing elkaar naderen, het nanodeeltje met de sterkere lading polariseert de metalen kern van het nanodeeltje met de zwakkere lading, wat betekent dat een meerderheid van de elektronen in de kern zich aan één kant van de kern zal ophopen. Dit zorgt ervoor dat dat nanodeeltje aan de ene kant een lichte positieve lading heeft en aan de andere kant een lichte negatieve lading. De polarisatie-geïnduceerde niet-uniforme ladingen op de kern van het nanodeeltje kunnen ervoor zorgen dat de twee ongelijk geladen nanodeeltjes elkaar aantrekken, ook al hebben de nanodeeltjes hetzelfde algemene ladingsteken. De waarneming dat de aantrekkingskracht alleen optreedt tussen sferische metalen ongelijk geladen nanodeeltjes, en niet tussen metalen platen, geeft het belang aan van kromming en de aanwezigheid van een centrale kern voor dit contra-intuïtieve resultaat.

Behalve dat het een interessante theoretische ontdekking is, de resultaten kunnen ook zeer nuttig zijn wanneer ze worden toegepast op gouden nanodeeltjes, die worden ontwikkeld voor een verscheidenheid aan medische toepassingen, zoals de behandeling van kanker en het toedienen van medicijnen. Gouden nanodeeltjes hebben een sterke affiniteit voor sommige biologische oppervlakken, zoals fosfolipidemembranen, die cellen omsluiten. In de nieuwe studie de onderzoekers toonden aan dat negatief geladen gouden nanodeeltjes over het algemeen worden afgestoten van de negatief geladen oppervlakken van fosfolipidemembranen. Echter, onder bepaalde omstandigheden wordt de kracht tussen de gouden nanodeeltjes en de membranen aantrekkelijk. De onderzoekers zijn van plan om deze effecten en hun implicaties in toekomstig onderzoek verder te onderzoeken.

"Het mechanisme dat we hebben beschreven, kan ook belangrijk zijn voor het begrijpen van de stabiliteit van suspensies van biologische deeltjes, Levin zei. "De gebruikelijke methode om suspensies van nanodeeltjes te stabiliseren is door middel van afstoting van dezelfde lading - in feite het synthetiseren van deeltjes met oppervlaktelading zodat ze elkaar afstoten en niet aan elkaar plakken. Hier laten we zien, echter, dat als de suspensie voldoende polydispers is in grootte en lading, gelijkgeladen nanodeeltjes kunnen elkaar daadwerkelijk aantrekken, aan elkaar plakken en neerslaan."

Een van de uitdagingen waarmee de onderzoekers tijdens hun werk werden geconfronteerd, was het kwantitatief modelleren van de nieuwe resultaten, aangezien conventionele methoden zeer rekenkundig duur zijn. Om dit probleem aan te pakken, de onderzoekers ontwikkelden een aangepaste numerieke benaderingsmethode voor het berekenen van krachten tussen nanodeeltjes die orden van grootte sneller werkt dan conventionele methoden. De nieuwe methode biedt ook voordelen voor het bestuderen van de krachten tussen metalen nanodeeltjes en biologische membranen, evenals voor het verkennen van meer gecompliceerde oplossingen. De onderzoekers zijn van plan om beide gebieden in de toekomst verder te onderzoeken.

"In onze groep we hebben een uitgebreide onderzoekslijn naar colloïdale systemen, die varieert van simulaties tot theorie, " Zei Levin. "Tot nu toe hebben we theoretisch de effecten van polarisatie op metaaldeeltjes in 1:1 elektrolyt onderzocht. Aangezien de correlatie-effecten in dergelijke oplossingen niet erg sterk zijn, dergelijke systemen zijn vatbaar voor onze theoretische behandeling. Echter, in meer gecompliceerde oplossingen zoals 3:1 elektrolyt, de correlatie-effecten tussen ionen zullen erg belangrijk zijn en onze theoretische instrumenten zullen niet volstaan. In dit geval ontwikkelen we simulatiemethoden om de interactie tussen metalen nanodeeltjes te bestuderen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk