Учёные смогли понаблюдать, как одинаковые заряды притягиваются друг к другу на больших расстояниях, что явно противоречит фундаментальному принципу физики.
Впервые высказанная французским физиком Шарлем Огюстеном де Кулоном (Charles-Augustin de Coulomb) в 18 веке фраза «противоположности притягиваются, а подобные заряды отталкиваются» стала привычной идиомой, даже будучи знаменито переформулированной Полой Абдул (Paula Abdul).
Новое исследование, опубликованное 1 марта в журнале Nature Nanotechnology, усложнило эту картину. Группа исследователей обнаружила, что в некоторых жидкостях всё происходит наоборот: одноименно заряженные частицы притягиваются.
«Поскольку одноименно заряженные объекты в вакууме, как ожидается, будут отталкиваться независимо от того, является ли знак заряда, который они несут, положительным или отрицательным, ожидается, что одноименно заряженные частицы в растворе также должны монотонно отталкиваться», — пишут исследователи в статье.
Чтобы проверить это предположение, исследователи поместили заряженные микрочастицы кремнезема (размером всего 0,0002 дюйма, или 5 микрометров, в ширину — часть ширины человеческого волоса) в воду и один из двух видов спирта. Отслеживая заряды с помощью микроскопа, команда установила, что внутри воды положительно заряженные частицы отталкиваются друг от друга в соответствии с законом Кулона.
Но отрицательно заряженные частицы вели себя совсем иначе: они слипались в крошечные шестиугольные структуры. Этот эффект возникал, когда вода становилась слегка кислой — в диапазоне pH от 5 до 6,5, или примерно такой же кислой, как кофе или молоко, — и исчезал за пределами этого диапазона.
Когда же положительно заряженные частицы помещались внутрь этанола или изопропанола, это имело противоположный эффект: положительные заряды притягивались друг к другу, а отрицательные – отталкивались.
Чтобы объяснить странное поведение, исследователи обратились к разработанной ими теории, которая моделировала воду как молекулярную, а не как сплошную среду.
«Наши [стандартные] уравнения являются уравнениями сплошной среды — они не учитывают зернистую природу континуума, — сказал в интервью Live Science ведущий автор исследования Мадхави Кришнан (Madhavi Krishnan), профессор физической химии Оксфордского университета. — Это прекрасно работает в большинстве ситуаций, за исключением тех случаев, когда это не так.»
Моделируя молекулы воды в виде крошечных электромагнитных диполей — с небольшим отрицательным зарядом у атома кислорода и положительным зарядом вокруг атомов водорода — исследователи обнаружили, что «сила электрорастворения» возникает в результате взаимодействия между отрицательным содержанием кислорода и отрицательными частицами кремнезема.
Эта сила уменьшает общую энергию в системе после того, как протон «перепрыгивает» на частицы кремнезема, чтобы уменьшить их общий отрицательный заряд, и это происходит в определённом диапазоне рН, когда протоны в растворе способны менять своё положение.
«Вы должны находиться в диапазоне pH, при котором протоны хотят включаться и выключаться», — сказал Кришнан.
Команда обнаружила, что в спирте молекулярный диполь инвертирован, что приводит к ощущению силы между положительными зарядами.
Теперь, когда эффект был продемонстрирован, исследователи будут использовать его для лучшего понимания биомолекулярных конденсатов, типа клеточных органелл, которые могут разделять фазы содержимого клетки и работа которых жизненно важна для понимания болезней.
«Я был бы ошеломлён, если бы основной принцип, лежащий в основе, не был таким же, — сказал Кришнан. — Если мы сможем внести свой вклад в понимание этого класса проблем, то, я думаю, мы добавим довольно важную концепцию, поскольку ожидается, что подобные явления будут актуальны даже при заболеваниях человека.»
