Как частицы с одинаковым зарядом притягиваются в растворе: открытие ученых

Давайте сразу успокоим физиков: закон Кулона никто не отменял. Протоны по-прежнему отталкиваются от протонов. Но мир микрочастиц в растворе — это сложный театр, где на сцене больше игроков, чем просто заряд. И растворитель здесь — главный режиссер.

Ученые провели элегантный эксперимент. Они взяли отрицательно заряженные наночастицы диоксида кремния (те самые, из песка) и размешали их в воде. И что же? Частицы, вместо того чтобы разбежаться, потянулись друг к другу, выстроившись в упорядоченные шестиугольные кластеры. Красиво! Но когда повторили опыт с положительно заряженными частицами — магия исчезла. Никаких кластеров. Почему? Ведь заряд-то одинаковый?

Секрет раскрыла теория, учитывающая тонкие взаимодействия на границе частицы и жидкости. Оказалось, что в воде отрицательные частицы диоксида кремния так сильно «дружат» с молекулами растворителя, что это содружество создает силу притяжения. И эта сила может быть сильнее, чем классическое электростатическое отталкивание! У положительных частиц в воде такой дружбы не получается — взаимодействие с растворителем всегда отталкивающее. Вот вам и вся разгадка.

Но ученые пошли дальше. Они задались вопросом: а можно ли «переключить полюса», заставив положительные частицы слипаться, а отрицательные — разбегаться? И сменили декорации — вместо воды взяли этанол. И вуаля! В новом растворителе уже положительные частицы радостно образовывали кластеры, а отрицательные вели себя прилично и отталкивались. Всего-то и надо — поменять жидкость. Не правда ли, изящно?

Казалось бы, фундаментальная игра. Но ставки высоки! Понимание этих процессов переписывает наши представления о стабильности лекарств, где важно, чтобы молекулы не слипались как попало. Оно критично для аккумуляторов, где твердые электроды встречаются с жидким электролитом. И, конечно, проливает свет на самые основы мироздания: самосборку молекул, кристаллизацию, разделение фаз. Одно небольшое открытие — и целый веер применений.

«Я до сих пор не могу насмотреться на то, как они притягиваются, — признается соавтор работы Сида Ванг. — Даже после тысячи опытов это зрелище завораживает.» Согласитесь, когда ученый говорит так о своем эксперименте, это дорогого стоит. Значит, они наткнулись на что-то по-настоящему волшебное.