Английские ученые обнаружили химический  раствор, в котором электрические заряды одного знака, в нарушение закона Кулона, претерпевают взаимное притяжение. Помимо этого, в данных средах происходит нарушение общего принципа зарядовой симметрии, т.е. здесь наблюдается притяжение положительных зарядов и отталкивание отрицательных. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology. Согласно закону Кулона одинаковые по знаку заряды в вакууме должны отталкиваться, а разные — притягиваться. Аналогично и в растворах, на относительно больших расстояниях, где еще слабы ван-дер-ваальсовые силы, ожидается, что заряды одного знака должны отталкиваться. Такое представление соответствует теории Дерягина, Ландау, Фервея, Овербека (ДЛФО) об устойчивости коллоидных систем.

Межчастичные взаимодействия в растворах могут нарушать зарядовую симметрию. Sida Wang et al. / Nature Nanotechnology, 2024. 

Впрочем, на протяжении десятилетий появлялись сообщения о притяжении между одноименно заряженными частицами на масштабах от нано- до микрометров, например, между нуклеиновыми кислотами, липосомами, полимерами и коллоидными частицами в водных средах, содержащих низкие концентрации одновалентной соли — где ожидалось, что теория ДЛФО будет верна.

Группа ученых под руководством Мадхави Кришнана (Madhavi Krishnan) из Оксфордского университета провела систематическое исследование поведения заряженных частиц в растворах в зависимости от параметров этих растворов. Ученые выяснили, что отрицательно заряженные частицы коллоидного диоксида кремния, растворенные в воде, могут начать притягиваться друг к другу при определенном уровне pH.

Зависимость межчастичного взаимодействия от рН раствора. Sida Wang et al. / Nature Nanotechnology, 2024

Эти частицы формировали устойчивые гексагональные кластеры, что противоречит предсказанию ДЛФО. Такое поведение частиц химики объяснили возникновением дальнодействующей силы притяжения, которая на более близких расстояниях уступает кулоновской силе отталкивания, что в результате приводит к формированию устойчивых структур.

Притяжение отрицательных зарядов в водных растворах заменяется на притяжение положительных зарядов в спиртовых. Sida Wang et al. / Nature Nanotechnology, 2024