Gelijke ladingen kunnen elkaar aantrekken
Een mysterieuze schending van elektromagnetische regels heeft een verrassende verklaring. Water helpt gelijksoortige ladingen om elkaar aan te trekken. Het effect heeft verstrekkende gevolgen voor de chemie en biologie.
Evenwaardige ladingen trekken elkaar aan, gelijke ladingen stoten elkaar af - maar dit geldt niet altijd. Onder bepaalde omstandigheden kunnen geladen deeltjes deze regels breken, zo heeft een onderzoeksgroep onder leiding van Madhavi Krishnan van de Universiteit van Oxford ontdekt. Ze hebben echter een beetje hulp nodig, zo meldt het team nu in het tijdschrift "Nature Nanotechnology". Deeltjes die in een vloeistof zijn opgelost kunnen zodanig met de moleculen reageren dat gelijksoortige ladingen elkaar aantrekken. Dergelijke effecten kunnen zelfs de symmetrie tussen de ladingen doorbreken: positief geladen deeltjes trekken elkaar aan, terwijl negatief geladen deeltjes elkaar afstoten. De ontdekking heeft verstrekkende gevolgen voor verschijnselen zoals de vorming van kristallen of interacties tussen eiwitten.
Het is al lang bekend, vooral in de biologie, dat moleculen met dezelfde lading of zelfs grotere structuren elkaar soms lijken aan te trekken. Wat echter ontbrak was een verklaring hiervoor: alle andere interacties werden als te zwak beschouwd om de afstoting van de ladingen te compenseren. Om het raadsel op te lossen onderzocht het team het gedrag van negatief en positief geladen nanodeeltjes van silicaat in water en ethanol. De verklaring voor de vreemde aantrekkingskracht van deeltjes met dezelfde lading ligt in het gedrag van het water op het oppervlak van de deeltjes. Hun ladingen leggen een bepaalde orde aan rond de geladen deeltjes op de watermoleculen, die ook negatieve en positieve gebieden hebben.
Zo ontdekte de onderzoeksgroep dat de ruimtelijke ordening van de deeltjes steeds energiearm kan worden als twee negatief geladen deeltjes naar elkaar toe bewegen. Tot een bepaalde afstand is de energie die daarbij vrijkomt groter dan de energie die moet worden verbruikt om de afstoting van dezelfde ladingen te overwinnen. Dit betekent dat deeltjes met dezelfde lading elkaar over grotere afstanden aantrekken. Als gevolg hiervan vormen de negatief geladen nanodeeltjes in water geordende groepen door hun aantrekkingskracht. Positief geladen deeltjes daarentegen ervaren een dergelijke energiewinst niet in water; ze blijven elkaar afstoten.
In alcohol verandert dit echter. Zijn moleculen rangschikken zich op oppervlakken op zo'n manier dat ze hun positief en negatief geladen gebieden in de tegenovergestelde richting van die van water oriënteren. Dienovereenkomstig heeft het effect van hun herschikking ook het tegenovergestelde teken: positieve ladingen trekken elkaar aan, negatieve ladingen niet. De werkgroep laat ook zien hoe de doorslaggevende krachten en potentialen op oppervlakken gemeten en voorspeld kunnen worden. Het effect heeft verstrekkende gevolgen voor een hele reeks specialistische gebieden en toepassingen. Het beïnvloedt bijvoorbeeld waarschijnlijk het gedrag van veel biologische structuren, verandert de oplosbaarheid van nanodeeltjes of chemicaliën of zorgt ervoor dat dingen samenklonteren die idealiter niet zouden moeten samenklonteren.
Spectrum van de wetenschap
Wij zijn partners van Spektrum der Wissenschaft en willen gefundeerde informatie toegankelijker voor je maken. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt.
Originalartikel auf Spektrum.de Titelbild: © Just_Super / Getty Images / iStock (Ausschnitt) Teilchen, die sich abstossen sollten, ziehen sich plötzlich an – lange galt das als theoretisch nicht zu erklären. Doch nun zeigt sich: Man muss nur genauer hingucken.
Deskundigen uit wetenschap en onderzoek doen verslag van de huidige bevindingen op hun gebied - deskundig, authentiek en begrijpelijk.