Một trường hợp phản trực giác trong đó hai điện tích cùng dấu hút nhau

Khi nói đến điện tích, luôn có một chân lí bất di bất dịch: điện tích trái dấu hút nhau, cùng dấu đẩy nhau. Nhưng trong một nghiên cứu mới, các nhà vật lí vừa có một khám phá bất ngờ khi mà hai hạt cầu nano kim loại tích điện cùng dấu với điện tích không bằng nhau có thể hút nhau trong một dung dịch điện li loãng. Nguyên nhân, nói ngắn gọn, là vì hạt nano tích điện mạnh hơn làm phân cực lõi kim loại của hạt nano tích điện yếu, làm thay đổi tương tác giữa hai hạt nano.

Các nhà nghiên cứu, Alenandre P. dos Santos và Yan Levin tại Đại học Liên bang Rio Grande do Sul ở Brazil, vừa công bố một bài báo về lực hút điện tích cùng dấu trên số ra mới đây của tạp chí Physical Review Letters.

“Bài báo của chúng tôi giải thích một hành trạng rất phản trực giác mà trước đây [người ta] nghĩ là không thể nào,” Levin nói.

Đây không phải lần đầu tiên các nhà nghiên cứu quan sát thấy lực hút giữa các hạt tích điện cùng dấu. Hồi năm 1980, nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hạt tích điện cùng dấu có thể hút nhau khi đặt trong một dung dịch điện li chứa các đối ion hóa trị bội.

Đối ion là một ion có khả năng nhường hoặc nhận thêm một electron để có điện tích như ±2 hoặc ±3, và dấu điện tích của nó trái với của ion kia. Ví dụ, ion nhôm Al³⁺ là một đối ion đa hóa trị đối với ion chloride Cl^-, cùng nhau tạo thành nhôm chloride, AlCl₃. Trong khi dung dịch điện li có các đối ion hóa trị bội, thì điện tích của chúng có thể thăng giáng theo một kiểu tương liên, làm cho các hạt tích điện cùng dấu trong dung dịch hút nhau.

Tuy nhiên, trong thí nghiệm mới, dung dịch điện li là 1:1, nghĩa là nó chỉ chứa các đối ion một hóa trị, tức là các ion chỉ có điện tích ±1. Vì các tương liên tĩnh điện giữa các ion trong dung dịch 1:1 là không đáng kể, nên người ta thường cho rằng các hạt tích điện cùng dấu trong những dung dịch này luôn luôn đẩy nhau. Nhằm củng cố giả thuyết này, trong nghiên cứu mới các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng các tấm kim loại tích điện cùng dấu trong dung dịch điện li 1:1 luôn luôn đẩy nhau.

Hai hạt nano cầu kim loại với điện tích cùng dấu nhưng có độ lớn khác nhau trong một dung dịch điện li 1:1 hút lẫn nhau.

Mãi cho đến nay, toàn bộ các nghiên cứu trước đây trong lĩnh vực này đều chủ khảo sát các tình huống trong đó hai hạt tích điện cùng dấu có độ lớn điện tích bằng nhau. Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu khảo sát cái xảy ra khi hạt có điện tích không bằng nhau (mặc dù vẫn cùng dấu).

Họ tìm thấy rằng, khi hai hạt có điện tích không bằng nhau trong dung dịch điện li 1:1 tiến tới gần nhau, hạt nano điện tích mạnh hơn sẽ làm phân cực lõi kim loại của hạt nano điện tích yếu hơn, nghĩa là phần lớn electron trong lõi sẽ dồn về một phía của lõi. Điều này sẽ làm cho hạt nano đó có điện tích hơi dương một chút ở một phía và hơi âm một chút ở phía kia. Điện tích do phân cực cảm ứng trên lõi hạt nano có thể làm cho hai hạt nano tích điện không bằng nhau hút nhau, mặc dù chúng có điện tích tổng thể cùng dấu. Lực hút chỉ được quan sát thấy giữa các hạt nano cầu kim loại tích điện không bằng nhau, và không xuất hiện giữa các tấm kim loại. Điều đó cho thấy tầm quan trọng của độ cong và sự có mặt của lõi ở giữa đối với kết quả phản trực giác này.

Ngoài việc là một khám phá lí thuyết thú vị, các kết quả còn có thể rất hữu ích khi áp dụng cho các hạt nano vàng, chúng đã và đang được phát triển cho nhiều ứng dụng y khoa đa dạng, ví dụ như điều trị ung thư và phân phối thuốc trong cơ thể. Hạt nano vàng có ái lực mạnh với một số bề mặt sinh học, ví dụ như các màng phospholipid bao xung quanh tế bào. Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu chứng minh rằng các hạt nano vàng tích điện âm thường bị đẩy khỏi các bề mặt tích điện âm của màng phospholipid. Tuy nhiên, dưới những điều kiện nhất định, lực giữa hạt nano vàng và màng lipid trở thành lực hút. Các nhà nghiên cứu đã lên kế hoạch tiếp tục khảo sát các hiệu ứng này và những ẩn ý của chúng trong nghiên cứu tương lai.

“Cơ chế mà chúng tôi mô tả cũng có thể quan trọng đối với việc tìm hiểu mức ổn định huyền phù của các hạt sinh học,” Levin nói. “Phương pháp thông thường làm ổn định huyền phù của các hạt nano là thông qua lực đẩy điện tích cùng dấu – về cơ bản là tổng hợp các hạt có điện tích bề mặt sao cho chúng đẩy nhau và không dính vào nhau. Tuy nhiên, ở đây chúng tôi chỉ ra rằng nếu huyền phù đủ đa phân tán về kích cỡ và điện tích, thì các hạt nano tích điện cùng dấu thật sự có thể hút nhau, dính vào nhau và kết tủa.”

Một trong những thách thức mà các nhà nghiên cứu phải đối mặt trong công trình của họ là lập mô hình định lượng các kết quả mới, vì các phương pháp thông thường tốn kém cao về mặt điện toán. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp gần đúng dạng số cải tiến để tính lực giữa các hạt nano hoạt động nhanh hơn các phương pháp thông thường nhiều bậc độ lớn. Phương pháp mới cũng có các lợi thế để nghiên cứu lực giữa các hạt nano kim loại và các màng sinh học, cũng như để khảo sát các dung dịch phức tạp hơn. Các nhà nghiên cứu đã lên kế hoạch tiếp tục khảo sát cả hai lĩnh vực này trong tương lai.

“Trong nhóm chúng tôi, chúng tôi có một tuyến nghiên cứu mạnh về các hệ chất keo, đa dạng từ các mô phỏng cho đến lí thuyết,” Levin nói. “Cho đến nay, chúng tôi đã khảo sát trên lí thuyết các hiệu ứng phân cực trên các hạt kim loại trong chất điện li 1:1. Vì các hiệu ứng tương liên trong các hệ như thế không mạnh lắm, nên các hệ như thế chịu được cách xử lí lí thuyết của chúng tôi. Tuy nhiên, trong những dung dịch phức tạp hơn ví dụ như chất điện li 3:1, các hiệu ứng tương liên giữa các ion sẽ rất quan trọng và các công cụ lí thuyết của chúng tôi sẽ không đáp ứng được. Trong trường hợp này chúng tôi đang phát triển các phương pháp mô phỏng để nghiên cứu sự tương tác giữa các hạt nano kim loại.”

Tham khảo: Alexandre P. dos Santos and Yan Levin. "Like-Charge Attraction between Metal Nanoparticles in a 1∶1 Electrolyte Solution." Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.248005

Nguồn: PhysOrg.com