Apakah hal yang berlawanan menarik, apakah hal yang serupa akan tolak menolak?

Sebuah studi baru menjungkirbalikkan prinsip dasar fisika dengan menunjukkan bahwa partikel bermuatan serupa dapat menarik satu sama lain dalam larutan, dengan efek peralihan antara muatan positif dan negatif tergantung pada pelarutnya. Penemuan ini memiliki implikasi signifikan terhadap berbagai proses ilmiah, termasuk perakitan mandiri dan kristalisasi. Penelitian ini mengungkapkan pentingnya struktur pelarut pada antarmuka dalam menentukan interaksi antarpartikel, menantang keyakinan lama dan menyarankan perlunya memikirkan kembali pemahaman kita tentang gaya elektromagnetik. Kredit: Zhang Kang

“Ketertarikan yang berlawanan; karena muatan tolak-menolak adalah prinsip dasar fisika dasar. Namun studi baru dari Universitas Oxford yang baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Nanoteknologi Alam, menunjukkan bahwa partikel bermuatan serupa dalam larutan sebenarnya dapat saling tarik menarik dalam jarak yang jauh.

Yang sama mengejutkannya, tim menemukan bahwa efeknya berbeda untuk partikel bermuatan positif dan negatif tergantung pada pelarutnya.

Selain menjungkirbalikkan kebijaksanaan konvensional, hasil ini memiliki implikasi langsung terhadap sejumlah proses yang melibatkan interaksi antarpartikel dan antarmolekul pada skala panjang yang berbeda, termasuk perakitan mandiri, kristalisasi, dan pemisahan fasa.

Sebuah tim peneliti dari Departemen Kimia Oxford menemukan bahwa partikel bermuatan negatif tertarik pada jarak yang jauh sementara partikel bermuatan positif ditolak, sedangkan hal sebaliknya terjadi pada pelarut seperti alkohol.

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

Observasi eksperimental

Sekarang, dengan menggunakan mikroskop medan terang, tim mengamati mikropartikel silika bermuatan negatif yang tersuspensi dalam air dan menemukan bahwa partikel-partikel tersebut saling tarik menarik untuk membentuk kelompok yang tersusun secara heksagonal. Namun, partikel silika teraminasi yang bermuatan positif tidak membentuk gugus di dalam air.

Dengan menggunakan teori interaksi antarpartikel, yang memperhitungkan struktur pelarut pada antarmuka, tim menemukan bahwa untuk partikel bermuatan negatif dalam air, terdapat gaya tarik menarik yang mengatasi tolakan elektrostatik pada jarak yang besar, sehingga mengarah pada pembentukan cluster. . Untuk partikel bermuatan positif dalam air, interaksi yang didorong oleh pelarut ini selalu bersifat tolak menolak dan tidak ada gugus yang terbentuk.

Efek ini ternyata bergantung pada pH: tim mampu mengontrol pembentukan (atau tidak) cluster partikel bermuatan negatif dengan mengubah pH. Terlepas dari pH, partikel bermuatan positif tidak membentuk kelompok.

Efek khusus pelarut dan penemuan lainnya

Tentu saja, tim bertanya-tanya apakah efek pada partikel bermuatan bisa berubah sehingga partikel bermuatan positif membentuk cluster dan partikel bermuatan negatif tidak. Dengan mengubah pelarut menjadi alkohol seperti etanol, yang memiliki perilaku antarmuka berbeda dengan air, mereka mengamati hal berikut: partikel silika teraminasi yang bermuatan positif membentuk gugus heksagonal, sedangkan partikel silika bermuatan negatif tidak.

Menurut para peneliti, penelitian ini menandai kalibrasi ulang mendasar dalam pemahaman yang akan mempengaruhi cara kita berpikir tentang proses yang berbeda seperti stabilitas produk farmasi dan bahan kimia murni atau kelainan patologis yang terkait dengan agregasi molekul pada penyakit manusia. Temuan baru ini juga memberikan bukti kemampuan untuk menyelidiki sifat potensial listrik antarmuka yang diinduksi pelarut, seperti tanda dan besarnya, yang sebelumnya dianggap tidak dapat diukur.

Profesor Madhavi Krishnan (Departemen Kimia, Universitas Oxford), yang memimpin penelitian ini, mengatakan: “Saya sangat bangga dengan dua mahasiswa pascasarjana saya, serta mahasiswa sarjana, yang semuanya bekerja sama untuk menggerakkan penemuan besar ini. .”

Sida Wang (Departemen Kimia, Universitas Oxford), penulis pertama studi ini, mengatakan: “Saya masih terpesona melihat bagaimana partikel-partikel ini tertarik, bahkan setelah melihatnya ribuan kali.”

Referensi: “Gaya jarak jauh yang bergantung pada muatan menggerakkan perakitan materi dalam larutan yang disesuaikan” oleh Sid Wang, Rowan Walker-Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn, dan Madhavi Krishnan, 30 Feb 2024, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-024-01621-5