"Gegensätze ziehen sich an? Nicht in einem neuen Experiment, das eine Lücke in den Grundregeln der Physik findet
Es wurde festgestellt, dass gleichgeladene Objekte aufgrund der neu entdeckten „Elektrosolvatisierungskraft“ zusammenklumpen, während sich gegensätzliche Objekte abstoßen.
Wissenschaftler haben beobachtet, dass sich gleiche Ladungen über große Entfernungen gegenseitig anziehen, was offensichtlich im Widerspruch zu einem Grundprinzip der Physik steht.
„Gegensätze ziehen sich an und gleiche Ladungen stoßen sich gegenseitig ab“, stellte der französische Physiker Charles-Augustin de Coulomb erstmals im 18. Jahrhundert fest und ist zu einer vertrauten Redewendung geworden – die berühmte Redewendung wurde sogar von Paula Abdul umformuliert.
Nun hat eine neue Studie, die am 1. März in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde, dieses Bild verkompliziert. Ein Forscherteam hat herausgefunden, dass in manchen Flüssigkeiten das Gegenteil der Fall ist: Gleichgeladene Teilchen ziehen sich an.
„Da von gleichgeladenen Objekten im Vakuum erwartet wird, dass sie sich abstoßen, unabhängig davon, ob das Vorzeichen der Ladung, die sie tragen, positiv oder negativ ist, ist zu erwarten, dass sich gleichgeladene Teilchen in Lösung ebenfalls monoton abstoßen“, schreiben die Forscher in der Arbeit .
Um die Annahme zu überprüfen, platzierten die Forscher geladene Siliziumdioxid-Mikropartikel (mit einer Breite von nur 0,0002 Zoll oder 5 Mikrometern – ein Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares) in Wasser oder eine von zwei Arten von Alkohol. Indem das Team die Ladungen mit einem Mikroskop verfolgte, stellte es fest, dass sich die positiv geladenen Teilchen im Wasser gemäß dem Coulombschen Gesetz voneinander wegdrückten.
Doch die negativ geladenen Teilchen verhielten sich ganz anders: Sie verklumpten zu winzigen sechseckigen Strukturen. Dieser Effekt trat auf, wenn das Wasser leicht angesäuert wurde – in einem pH-Bereich zwischen 5 und 6,5, also etwa so sauer wie Kaffee oder Milch – und verschwand außerhalb dieses Bereichs.
Und wenn positiv geladene Teilchen in Ethanol oder Isopropanol gegeben wurden, hatte das den gegenteiligen Effekt: Die positiven Ladungen wurden voneinander angezogen und die negativen abgestoßen.
Um das seltsame Verhalten zu erklären, griffen die Forscher auf eine von ihnen entwickelte Theorie zurück, die das Wasser als molekulares und nicht als kontinuierliches Medium modellierte.
„Unsere [Standard-]Gleichungen sind Kontinuumsgleichungen – sie berücksichtigen nicht die körnige Natur des Kontinuums“, sagte Hauptautorin Madhavi Krishnan, Professorin für physikalische Chemie an der Universität Oxford, gegenüber WordsSideKick.com. „Es funktioniert in den meisten Situationen vollkommen gut, außer wenn es nicht funktioniert.“
Durch die Modellierung der Wassermoleküle als winzige elektromagnetische Dipole – mit einer leichten negativen Ladung am Sauerstoffatom und einer positiven Ladung um die Wasserstoffatome – stellten die Forscher fest, dass durch die Wechselwirkung zwischen dem negativen Sauerstoff und den negativen Siliciumdioxidpartikeln eine „Elektrosolvatisierungskraft“ entsteht .
Diese Kraft reduziert die Gesamtenergie im System, nachdem ein Proton auf die Silica-Partikel „gesprungen“ ist, um deren gesamte negative Ladung zu verringern. Sie tritt in einem bestimmten pH-Bereich auf, wenn die Protonen in der Lösung ihre Position ändern können.
„Man muss sich in einem pH-Bereich befinden, in dem die Protonen ein- und aussteigen wollen“, sagte Krishnan.
Das Team fand heraus, dass in Alkohol der molekulare Dipol umgekehrt ist, wodurch die zwischen positiven Ladungen spürbare Kraft entsteht.
Nachdem der Effekt nun nachgewiesen wurde, werden die Forscher ihn nutzen, um biomolekulare Kondensate besser zu verstehen, eine Art Zellorganelle, die die Phasen des Zellinhalts trennen kann und deren Funktionsweise für das Verständnis von Krankheiten von entscheidender Bedeutung ist.
„Ich wäre verblüfft, wenn das Grundprinzip nicht ähnlich wäre“, sagte Krishnan. „Wenn wir zum Verständnis dieser Art von Problemen beitragen können, dann haben wir meiner Meinung nach ein ziemlich wichtiges Konzept hinzugefügt, da man davon ausgeht, dass solche Phänomene auch bei menschlichen Krankheiten relevant sind.“"
