Lawan tarik-menarik, suka tolak-menolak? Para ilmuwan menjungkirbalikkan prinsip dasar fisika

Sebuah studi baru telah mengubah prinsip dasar fisika dengan menunjukkan bahwa partikel bermuatan serupa dapat saling tarik menarik dalam larutan, dengan efek yang bervariasi antara muatan positif dan negatif tergantung pada pelarutnya. Penemuan ini mempunyai implikasi penting bagi berbagai proses ilmiah, termasuk perakitan mandiri dan kristalisasi. Penelitian ini mengungkapkan pentingnya struktur pelarut pada antarmuka dalam menentukan interaksi antar partikel, menantang keyakinan lama dan menunjukkan perlunya mengevaluasi kembali pemahaman kita tentang gaya elektromagnetik. Kredit: Zhang Kang

“Muatan yang berlawanan akan tarik-menarik; “Muatan sejenis akan tolak menolak” adalah prinsip dasar fisika dasar. Namun studi baru dari Universitas Oxford yang baru-baru ini dipublikasikan di jurnal nanoteknologi alam, Dia mendemonstrasikan bahwa partikel bermuatan serupa dalam larutan sebenarnya dapat saling tarik menarik dalam jarak yang jauh.

Yang juga mengejutkan, tim menemukan bahwa efeknya berbeda untuk partikel bermuatan positif dan negatif, bergantung pada pelarutnya.

Selain menjungkirbalikkan keyakinan lama, hasil ini memiliki implikasi langsung terhadap serangkaian proses yang melibatkan interaksi antarmolekul dan antarmolekul pada skala panjang yang berbeda, termasuk perakitan sendiri, kristalisasi, dan pemisahan fasa.

Tim peneliti, yang berbasis di Departemen Kimia Universitas Oxford, menemukan bahwa partikel bermuatan negatif saling tarik menarik pada jarak yang jauh, sedangkan partikel bermuatan positif saling tolak menolak, sedangkan yang sebaliknya terjadi pada pelarut seperti alkohol.

Hasil ini mengejutkan karena tampaknya bertentangan dengan prinsip elektromagnetik sentral, yang menyatakan bahwa gaya antara muatan bertanda sama bersifat tolak menolak pada semua jarak.

Pengamatan eksperimental

Sekarang, dengan menggunakan mikroskop medan terang, tim telah melacak partikel silika kecil bermuatan negatif yang tersuspensi dalam air, dan menemukan bahwa partikel-partikel tersebut saling tarik-menarik untuk membentuk kelompok heksagonal yang teratur. Namun, molekul amino-silika yang bermuatan positif tidak membentuk gugus di dalam air.

Dengan menggunakan teori interaksi partikel yang memperhitungkan struktur pelarut pada antarmuka, tim menunjukkan bahwa untuk partikel bermuatan negatif dalam air, terdapat gaya tarik menarik yang melebihi tolakan elektrostatik pada jarak pemisahan yang jauh, yang mengarah pada pembentukan gumpalan. Untuk partikel bermuatan positif dalam air, reaksi yang didorong oleh pelarut ini selalu bersifat tolak menolak, dan tidak ada agregat yang terbentuk.

Efek ini ditemukan bergantung pada pH: tim mampu mengontrol pembentukan (atau non-formasi) kelompok partikel bermuatan negatif dengan mengubah pH. Terlepas dari pH, molekul bermuatan positif tidak membentuk kelompok.

Efek khusus pelarut dan penemuan tambahan

Tentu saja, tim bertanya-tanya apakah mungkin untuk mengalihkan efek pada partikel bermuatan, sehingga partikel bermuatan positif membentuk kelompok sedangkan partikel bermuatan negatif tidak. Dengan mengubah pelarut menjadi alkohol, seperti etanol, yang memiliki perilaku antarmuka berbeda dari air, hal inilah yang mereka amati: molekul amino-silika yang bermuatan positif membentuk gugus heksagonal, sedangkan silika yang bermuatan negatif tidak.

Menurut para peneliti, penelitian ini melibatkan kalibrasi ulang mendasar dalam pemahaman yang akan berdampak pada cara kita berpikir tentang berbagai proses seperti stabilitas produk farmasi dan bahan kimia atau disfungsi patologis yang terkait dengan agregasi molekul pada penyakit manusia. Hasil baru ini juga memberikan bukti kemampuan untuk mengeksplorasi sifat-sifat potensial listrik antarmuka yang dihasilkan oleh pelarut, seperti tanda dan ukurannya, yang sebelumnya dianggap tidak dapat diukur.

“Saya sangat bangga dengan mahasiswa pascasarjana saya, serta mahasiswa sarjana, yang semuanya telah bekerja sama untuk mencapai penemuan mendasar ini,” kata Profesor Madhavi Krishnan (Departemen Kimia, Universitas Oxford), yang memimpin penelitian tersebut. belajar.

“Saya masih tertarik melihat partikel-partikel ini saling tarik menarik, bahkan setelah saya melihatnya ribuan kali,” kata Sida Wang (Departemen Kimia, Universitas Oxford), penulis pertama studi tersebut.

Referensi: “Gaya yang bergantung pada muatan jarak jauh mendorong perakitan materi secara ad hoc dalam larutan” oleh Syda Wang, Rowan Walker Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn, dan Madhavi Krishnan, 30 Februari 2024, Nanoteknologi alam.
doi: 10.1038/s41565-024-01621-5