同性相吸……？

在1:1的電解質溶液中，兩個帶同種電荷但不同電荷量的球形金屬納米粒子會相互吸引。| 圖片來源：dos Santos et al.

當我們第一次在物理課堂上接觸電荷這個概念時，學到的第一個也是最重要的一個性質就是——同性相斥，異性相吸。

但在一項新的研究中，物理學家發現在稀釋的電解質溶液中，帶有同種電荷但不同電量的兩個球形金屬納米粒子會相互吸引。簡而言之，其背後的原因在於，帶有更多電荷的納米粒子會將帶電較少的納米粒子的原子核心極化，從而改變了納米粒子之間的相互作用。

這一發現發表於《物理評論快報》，新論文闡明了一種非常有悖直覺的行為，這在以前被認為是不可能的。

不過，這並不是研究人員第一次觀察到帶同種電荷的帶電粒子之間相互吸引。早在1980年就有研究表明，在含有多價反離子的電解質溶液中，同種帶電粒子可以相互吸引。多價反離子是指可以失去或得到一個以上的電子從而帶有電荷的離子，例如±2或±3，而電荷的符號與另一個離子的符號相反。例如，鋁離子Al3?是氯離子Cl?的多價反離子，它們能共同形成氯化鋁AlCl?。當多價反離子是電解質溶液的一部分時，它們的電荷會以一種相關性的方式發生波動，導致溶液中的帶有同種電荷的帶電粒子相互吸引。

在新的實驗中，研究人員使用了比例為1:1的電解質溶液，即它只包含單價的反離子，換句話說，只有電荷為 1和-1的離子。由於在1:1的溶液中，離子之間的靜電相關效應可以忽略不計，所以我們一般認為在這種溶液中，帶有同種電荷的帶電粒子總是相互排斥的。為了支持這一假設，在新的研究中，研究人員展示了，在1:1的電解質溶液中，同種電荷的金屬板總是相互排斥。

兩塊厚度為d，表面電荷密度分別為σa、σb、σc、σd的金屬板，其電荷密度的值取決於兩板之間的距離。| 圖片來源：dos Santos et al.

到目前為止，這一領域的所有研究都只對帶有同種電荷且具有相同電荷量的情況進行了研究。但在新的研究中，研究人員觀察了當兩個帶有同種電荷的帶電粒子具有不等的電荷時會發生什麼。

他們發現，兩個具有不等帶電量的同種電荷粒子會在1:1電解質溶液中相互靠近，帶電量較強的納米粒子會極化帶電量較弱的納米粒子的金屬核心，這會使核心中的大多數電子會集結在一邊。使得納米粒子的一邊帶一點正電，另一邊帶一點負電。由極化誘導的納米粒子核上的非均勻電荷分布，會導致兩個帶電不均勻的納米粒子相互吸引，哪怕這兩個粒子所帶有的總電荷量都為正或者都為負。這種同性相吸的現象只發生在帶有不均勻電荷的球形金屬納米粒子之間，而不存在於金屬板之間，這表明了曲率和中心核心的存在對這一反直覺的結果的重要性。

金納米粒子對於各種醫療應用的研發，如癌症治療和藥物輸送方面都非常重要，因此新發現的結果除了是一個有趣的理論發現之外，也非常有助於對金納米粒子的應用。金納米粒子對某些生物表面，如包裹著細胞的磷脂膜，具有很強的親和力。在這項新的研究中，研究人員發現，帶負電荷的金納米粒子在通常情況下會被磷脂膜的負電荷表面所排斥；然而，在一定條件下，金納米粒子與膜之間會互相吸引。他們計劃在未來的研究中將對這種效應及其意義進行進一步的探索。

研究人員認為，他們描述的機理或許對理解生物顆粒懸浮體的穩定性也很重要。據他們介紹，通常會通過同性電荷的相互排斥性來穩定納米顆粒懸浮體，基本上粒子的表面電荷會使它們彼此排斥，不粘在一起；但利用新的發現，他們展示出，如果懸浮體的大小和電荷足夠多分散，那麼帶有同種電荷的帶電納米粒子實際上可以相互吸引，粘在一起並沉澱。

在這一研究過程中，研究人員面臨的一個挑戰是對新的結果進行定量建模，因為傳統方法在計算上非常昂貴。為了解決這個問題，他們研發了一種改良過的數值近似法來計算納米粒子之間的作用力，這種方法的計算速度比傳統方法快幾個數量級。這種新方法也為研究金屬納米粒子與生物膜之間的作用力以及探索更複雜的溶液提供了優勢。他們計劃未來將會對這兩個領域進行進一步的研究。

論文的作者Yan Levin教授說：「我們團隊對膠體系統有著廣泛的研究，從模擬到理論都有涉及。到目前為止，我們已經從理論上研究了極化對1:1電解液中的金屬粒子的影響。由於這類溶液的相關性效應並不是很強，因此尚且能用我們的理論工具處理。但是在等更複雜的溶液中，比如是3:1電解質，離子之間的相關性效應就會變得非常重要，而在這種情況下我們的理論工具是不夠用的。因此，我們正在發展新的模擬方法來研究金屬納米粒子之間的相互作用。」

[1] https://phys.org/news/2019-07-counterintuitive-case.html

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