在一项新的研究中，物理学家发现了一个令人惊讶的发现，即两个具有不相等电荷的球形带电金属纳米颗粒可以在稀释的电解质溶液中相互吸引。简而言之，原因在于带电荷更强的纳米颗粒使弱电荷纳米颗粒的金属核极化，这改变了纳米颗粒之间的相互作用。
研究人员，巴西南里奥格兰德联邦大学的Alexandre P. dos Santos和Yan Levin在最近一期“ 物理评论快报”上发表了一篇关于类似电荷吸引力的论文。
“我们的论文阐明了一种非常违反直觉的行为，以前被认为是不可能的，”莱文告诉Phys.org。
这不是研究人员第一次观察到带电粒子之间的吸引力。早在1980年，研究表明，当放入含有多价抗衡离子的电解质溶液中时，带相同电荷的粒子可以相互吸引。多价抗衡离子是一种离子，它可以失去或获得多于一个电子来带电荷，例如±2或±3，并且电荷的符号与另一个离子的电荷符号相反。例如，铝离子Al 3+是氯离子Cl -的多价抗衡离子，一起形成氯化铝，AlCl 3。当多价抗衡离子是电解质溶液的一部分时，它们的电荷可以以相关的方式波动，导致溶液中的带相同电荷的颗粒彼此吸引。
然而，在新的演示中，电解质溶液是1：1，这意味着它仅含有单价抗衡离子，即仅具有±1电荷的离子。由于1：1溶液中离子之间的静电相关性可忽略不计，因此通常假设这些溶液中的相同电荷粒子总是相互排斥。为了支持这一假设，在新的研究中，研究人员证明，1：1电解质溶液中带相同电荷的金属板总是相互排斥。
到目前为止，该领域的所有先前研究仅调查了两个带相同电荷的粒子具有相同电荷量的情况。在这项新的研究中，研究人员研究了当两颗粒子具有不相等的电荷时会发生什么(尽管仍然是相同的符号)。
他们发现，当在1：1电解质溶液中具有不相等电荷的两个粒子彼此接近时，具有更强电荷的纳米粒子将使用更弱的电荷使纳米粒子的金属核极化，这意味着核心中的大部分电子将是聚集在核心的一边。这导致纳米颗粒在一侧具有轻微的正电荷而在另一侧具有轻微的负电荷。纳米粒子核心上的偏振诱导的非均匀电荷可以引起两个不均匀带电的纳米粒子即使纳米颗粒具有相同的总电荷符号，也能相互吸引。观察到吸引力仅发生在球形金属不均匀带电的纳米颗粒之间，而不发生在金属板之间，这表明曲率的重要性以及中心核心对于这种反直觉结果的存在。
除了是一个有趣的理论发现之外，当应用于金纳米粒子时，结果也非常有用，金纳米粒子正在开发用于各种医学应用，例如癌症治疗和药物递送。金纳米粒子对某些生物表面具有很强的亲和力，例如包裹细胞的磷脂膜。在这项新研究中，研究人员证明带负电荷的金纳米粒子通常会从磷脂膜的负电荷表面排斥。然而，在某些条件下，金纳米颗粒和膜之间的力变得有吸引力。研究人员计划在未来的研究中进一步探索这些影响及其影响。
“我们所描述的机制对于理解生物颗粒悬浮液的稳定性也很重要，”莱文说。“稳定纳米粒子悬浮液的常用方法是通过相似电荷排斥 - 基本上合成具有表面电荷的粒子，使它们相互排斥，不会粘在一起。但是，我们在此表明，如果悬浮液的尺寸足够多分散，充电，带电荷的纳米粒子实际上可以吸引彼此，粘在一起并沉淀。“
研究人员在工作中遇到的挑战之一是对新结果进行定量建模，因为传统方法的计算成本非常高。为了解决这个问题，研究人员开发了一种改进的数值近似方法，用于计算纳米颗粒之间的力，其速度比传统方法快几个数量级。这种新方法还为研究金属纳米粒子和生物膜之间的力以及探索更复杂的解决方案提供了优势。研究人员计划在未来进一步研究这两个领域。
“在我们的小组中，我们对胶体系统进行了广泛的研究，范围从模拟到理论，”莱文说。“到目前为止，我们已经从理论上检验了极化对1：1电解质中金属颗粒的影响。由于这种解决方案中的相关效应不是很强，这种系统很容易受到我们的理论处理。但是，在更复杂的解决方案中，如3 ：1电解质，离子之间的相关效应将非常重要，我们的理论工具是不够的。在这种情况下，我们正在开发模拟方法来研究金属纳米粒子之间的相互作用。“