改写教科书！带相同电荷还能相吸？登上NatureNanotechnology
中学物理课上我们学过“同性电荷相斥、异性电荷相吸”的原理：两个带正电或负电的金属小球互相靠近后会被排斥远离，而带正负不同电荷的两个金属小球将被吸引靠近。如果来到微观世界，把带电小球微缩成普通的胶体粒子，异电性相吸的原理同样适用。溶液中带电物体之间的相互作用通常被认为能够概括电磁学的两个核心原理：（1）同性带电物体相互排斥，（2）无论其电荷的符号如何，它们都会相互排斥。这一观点是胶体科学的基石DLVO理论(由Derjaguin-Landau和Verwey-Overbeek提出)。DLVO理论然而，事实真是如此吗？原来Langmuir(朗缪尔)在 20 世纪初就试图解决溶液中胶体粒子之间的同类电荷是否存在吸引力的问题。Rosalind Franklin（罗莎琳德-富兰克林）在 20 世纪 50 年代也曾指出过这个问题，但至今仍未找到解决方法。近日，牛津大学Madhavi Krishnan教授课题组发表在《Nature Nanotechnology》上的一项新研究表明，在水溶液中，带负电的粒子可以远距离吸引，而带正电的粒子则会排斥。在界面上呈现净分子偶极反转的溶剂（如醇类）中，他们发现相反的情况也可能发生：带正电的粒子可能会吸引而带负电的粒子则会排斥。这些观察结果适用于多种表面化学性质：从无机二氧化硅和聚合物颗粒到水溶液中的聚电解质和多肽涂层表面。引用界面溶剂结构的粒子间相互作用理论可以捕捉到这些观察结果。除了推翻长期以来的信念之外，该研究建立了一种纳米级界面机制，溶剂分子可以通过该机制在溶液中产生强大的远程力，对一系列跨长度尺度的颗粒和分子过程产生直接影响，例如自组装、凝胶化和结晶、生物分子凝结、凝聚和相分离。同电荷吸引由界面溶剂分子驱动，并打破电荷反转对称性【测量二维悬浮液中颗粒间的相互作用】作者对溶液中胶体颗粒的二维 (2D) 悬浮液进行了一系列实验（图1），并检查了颗粒间相互作用对系统特性（例如电解质的 pH 值和离子强度、颗粒电荷和化学性质）以及溶剂分子的依赖性结构。他们使用明场显微镜追踪悬浮在水中的带负电的二氧化硅微粒，发现这些颗粒相互吸引形成六边形排列的簇。然而，带正电的胺化二氧化硅颗粒在水中不会形成簇。【水中负粒子相互吸引，正粒子相互排斥】利用考虑界面处溶剂结构的颗粒间相互作用理论，研究人员确定，对于水中带负电的颗粒，在大间距下存在吸引力超过静电斥力，从而导致团簇形成。对于水中带正电的粒子，这种溶剂驱动的相互作用始终是排斥的，并且不会形成簇。图 1. 溶液中的颗粒间相互作用可以打破电荷反转对称性【pH值控制长程力的大小】研究发现，这种效应与 pH 值相关：研究小组能够通过改变 pH 值来控制带负电粒子簇的形成（或不形成）。无论 pH 值如何，带正电的颗粒都不会形成簇。图 2. 使用溶液中的 pH 值调节颗粒间相互作用【吸引力和排斥力之间的顺序切换】作者进一步探讨表面化学对颗粒间相互作用的影响（图3）。远程颗粒间吸引力可以根据最新表面涂层的电荷符号来打开和关闭。为了继续探索“同电荷自组装”现象的普遍性，作者将注意力转向了二氧化硅颗粒上多肽表面涂层相互作用的研究。带负电的纳米粒子在pK 高约 3 个单位的范围内时，颗粒间吸引力会变化。相比之下，无论表面化学如何，带正电的颗粒都表现出强烈的排斥力，并且没有证据表明在整个测试的 pH 范围内存在长程吸引力。这项发现意味着，对于粒子电荷和一系列表面化学性质而言，所测量的粒子间相互作用的 pH 值依赖性都带有溶解自由能贡献的关键特征，从而为在固液界面上调用电荷依赖性溶剂结构的相互作用机制提供了重要的验证。图 3. 长程力的符号取决于相互作用粒子的电荷符号图 4. 化学性质不同的颗粒中的团簇形成【不同溶剂】当然，研究人员想知道是否可以改变对带电粒子的影响，使带正电的粒子形成簇，而带负电的粒子则不形成簇。通过将溶剂改为醇类，例如乙醇，其与水具有不同的界面行为，这正是他们观察到的：带正电的胺化二氧化硅颗粒形成六角形簇，而带负电的二氧化硅则没有。图 5. 水中的负自吸引转变为醇中的正自吸引【界面溶剂化和生物分子缩合】最后，受到溶液中同电荷微球中可调谐簇的自发形成的启发，作者们研究了这种长程溶剂化力对于在生理条件下在分子尺度上形成可逆冷凝物的影响，例如在生物学中的液-液相分离问题。图 6. 电荷依赖性溶剂化力可以驱动生物分子缩合物的形成【总结】这项研究意味着对基础性理论的重新校准，这将影响人们对不同过程的思考方式，例如药物和精细化工产品的稳定性或与人类疾病中分子聚集相关的病理功能障碍。新发现还为探测溶剂引起的界面电势特性（例如其符号和大小）的能力提供了证据，而这些特性以前被认为是不可测量的。来源：高分子科学前沿声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
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