一项新的研究推翻了物理学的一个基本原理，它证明了带相似电荷的粒子可以在溶液中相互吸引，其效果在正电荷和负电荷之间变化，这取决于溶剂。这一发现对包括自组装和结晶在内的各种科学过程具有重要意义。该研究揭示了界面上溶剂结构在确定粒子间相互作用方面的重要性，挑战了长期持有的信念，并表明需要重新评估我们对电磁力的理解。Credit:张康

“异性相吸;同种电荷相斥是基础物理学的一个基本原理。然而，牛津大学最近发表在《自然纳米技术》杂志上的一项新研究表明，溶液中类似的带电粒子实际上可以在长距离上相互吸引。

同样令人惊讶的是，研究小组发现，带正电荷和带负电荷的粒子的效果是不同的，这取决于溶剂。

除了推翻长期以来的信念外，这些结果对涉及各种长度尺度的粒子间和分子间相互作用的一系列过程具有直接意义，包括自组装，结晶和相分离。

牛津大学化学系的研究小组发现，带负电荷的粒子在大距离内相互吸引，而带正电荷的粒子相互排斥，而酒精等溶剂的情况正好相反。

这些发现令人惊讶，因为它们似乎与中心电磁学原理相矛盾，即相同符号的电荷之间的力在所有距离上都是相斥的。

实验观察

现在，利用明场显微镜，研究小组追踪了悬浮在水中的带负电荷的二氧化硅微粒，发现这些微粒相互吸引，形成六边形排列的簇。然而，带正电的胺化二氧化硅颗粒在水中不会形成团簇。

利用粒子间相互作用理论，考虑了界面上溶剂的结构，研究小组确定，对于水中带负电荷的粒子，在大的分离中，存在一种大于静电斥力的吸引力，导致簇的形成。对于水中带正电的粒子，这种溶剂驱动的相互作用总是排斥性的，不会形成团簇。

研究发现，这种效应与pH值有关:研究小组能够通过改变pH值来控制负电荷粒子簇的形成(或不形成)。无论pH值如何，带正电荷的粒子都不会形成簇。

溶剂特异性效应和进一步的发现

自然，研究小组想知道对带电粒子的影响是否可以改变，使带正电的粒子形成簇而带负电的粒子不形成簇。通过将溶剂换成酒精，如乙醇，它与水有不同的界面行为，这正是他们观察到的:带正电荷的胺化二氧化硅颗粒形成六边形簇，而带负电荷的二氧化硅则没有。

根据研究人员的说法，这项研究意味着对理解的根本性重新校准，这将影响我们对不同过程的思考方式，如药物和精细化工产品的稳定性，或与人类疾病中分子聚集相关的病理功能障碍。新的发现也为探测由溶剂引起的界面电位的性质提供了证据，比如它的符号和大小，这些在以前被认为是不可测量的。

领导这项研究的Madhavi Krishnan教授(牛津大学化学系)说:“我真的为我的两个研究生和本科生感到骄傲，他们共同努力，推动了这一基本发现。”

这项研究的第一作者、牛津大学化学系的王思达(Sida Wang)说:“我仍然觉得看到这些粒子相互吸引很有趣，即使我已经看过一千遍了。”

参考文献:“电荷依赖的远程力驱动溶液中物质的定制组装”，作者:Sida Wang, Rowan Walker-Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn和Madhavi Krishnan, 2024年2月30日，Nature Nanotechnology。DOI: 10.1038 / s41565 - 024 - 01621 - 5