Przyciąganie sprzeczne z intuicją

Autorzy artykułu opublikowanego ostatnio w „Nature Nanotechnology” zaproponowali wyjaśnienie, że zjawisko to wynika z molekularnej natury rozpuszczalnika. Zespół zaobserwował, że ujemnie naładowane molekuły krzemionki przyciągają się wzajemnie i tworzą sześciokątne klastry w wodzie, a z kolei dodatnio naładowane warianty krzemionki przyciągają się w alkoholu. Modelowanie zachowania cząsteczek wody w pobliżu naładowanych molekuł pozwoliło wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje.

We wcześniejszych eksperymentach badacze traktowali płyn jako jednolitą ciągłą substancję, nie uwzględniając wpływu jego maleńkich atomowych bloków składowych. Na przykład wodę tworzą pojedyncze cząsteczki, które są dipolami – można o nich myśleć jako o mających więcej ładunku po jednej stronie niż po drugiej, niczym o ogniwach – mówi Madhavi Krishnan, chemiczka z University of Oxford i współautorka artykułu. Cząsteczki wody wolą wiązać się z innymi cząsteczkami wody, zatem gdy znajdują się w pobliżu jakiejś zawieszonej w wodzie molekuły, mają tendencję do kierowania swoich dwóch lekko dodatnich atomów wodoru w kierunku reszty cieczy, a lekko ujemnego atomu tlenu w kierunku tejże molekuły.

Gdy ujemnie naładowane molekuły krzemionki w wodzie zbliżają się do siebie, doświadczają efektu zwanego regulacją ładunku, polegającego na tym, że odpychanie między nimi przyciąga pobliskie protony do powierzchni każdej z nich, zmniejszając ich ujemny ładunek. To z kolei osłabia siłę odpychającą je od wchodzących w skład wody atomów tlenu; zjawisko to nasila się w miarę zmniejszania dystansu pomiędzy molekułami krzemionki. W rezultacie molekuły te przyciągają się wzajemnie z odległości około mikrona.

Badacze zaobserwowali przeciwny efekt w alkoholu, ponieważ jego cząsteczki wolą kierować się w drugą stronę na powierzchni molekuł – co sprawia, że dodatnio naładowane molekuły zawieszone w alkoholu przyciągają się do siebie. Kwasowość rozpuszczalnika również wpływa na ładunek, a tym samym na to, czy rozpuszczone w nim molekuły tworzą klastry.

Naukowcy długo nie byli pewni, czy takie osobliwe przyciąganie jest eksperymentalnym artefaktem, czy też realnym zjawiskiem fizycznym, mówi Krishnan. Krytycy kwestionowali wcześniejsze obserwacje tego efektu, powołując się na zniekształcenia optyczne, słabe przyciąganie cząsteczek lub siły hydrodynamiczne powodujące wspólne dryfowanie molekuł. „Ta praca rozwiązuje zagadkę, która utrzymywała się od ponad 20 lat – mówi Jay T. Groves, chemik z University of California w Berkeley. – Jest bardzo gruntowna i uważam za bezdyskusyjne, że efekt ten jest właściwością rozpuszczalnika”.

Potencjalne zastosowania tego odkrycia „są wyznaczone jedynie granicami naszej kreatywności”, mówi Krishnan. Przyszłe prace tego zespołu badawczego będą dotyczyły zachowania się molekuł w innych rozpuszczalnikach, a także zastosowań w dziedzinach takich, jak biologia – w jaki sposób cząsteczki, z których wiele jest silnie naładowanych elektrycznie – organizują się w komórkach.

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża wyselekcjonowane badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.