REKLAMA


 

REKLAMA


 

Tajemnicze siły w nanoskali

Nawet dziecko wie, że 1+1 to więcej niż zero, więc uczonych ze Stuttgartu zdumiał wynik eksperymentu, w którym po złożeniu dwóch sił odpychających zamiast silniejszego odpychania otrzymali... przyciąganie. Czy naprawdę wzmocnienie odpychania może spowodować przyciąganie?


Ciach_Alina

Autorką tekstu jest
Alina Ciach

Instytut Chemii Fizycznej, Polska Akademia Nauk, Warszawa
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Prof. dr hab. Alina Ciach interesuje się płynami złożonymi, w których cząsteczki spontanicznie tworzą niejednorodne struktury. Jest koordynatorem Międzynarodowych Projektów Doktoranckich Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w IChF. 

 


W pewnym pomysłowym doświadczeniu uczeni ze Stuttgartu zmierzyli oddziaływanie naładowanej cząstki koloidalnej z podłożem, które miało ładunek elektryczny o tym samym znaku. Następnie płyn, w którym pływała cząstka, doprowadzili do szczególnego stanu, w którym indukował on tzw. termodynamiczną siłę Casimira. Wiadomo było z wcześniejszych badań, że siła ta jest odpychająca między elektrycznie obojętnymi ściankami, z których jedna silniej przyciąga wodę, a druga silniej przyciąga substancję organiczną. Tutaj jednak jednoimienne ładunki na cząstce wodolubnej i na podłożu, które nie lubi wody, zamiast wzmacniać odpychanie, spowodowały przyciąganie!

 

Cząstki koloidalne  w naturze występują na przykład w mleku. Fot. www.sxc.huWyniki tego eksperymentu były tak intrygujące, że wraz z doktorantką Międzynarodowych Projektów Doktoranckich Fundacji na rzecz Nauki Polskiej Faezeh Pousaneh postanowiłyśmy sprawdzić, jakie będą w tym wypadku przewidywania mechaniki statystycznej, opisującej układy wielu cząsteczek. Współpracowała z nami dr hab. Anna Maciołek ze Stuttgartu. Odpowiednie założenia i przybliżenia pozwoliły nam wyprowadzić równania, które dały się rozwiązać analitycznie. Z naszych rozwiązań wynikało, że istotnie w pewnym wąskim przedziale temperatur powinno wystąpić przyciąganie! Wyniki teoretycznych obliczeń pozwoliły też zrozumieć, dlaczego tak się dzieje i jak możemy wyjaśnić to dziwne zjawisko, nie posługując się żadnymi wzorami.

 

Wodolubne i z wodowstrętem

 

Cząstki koloidalne mają rozmiary rzędu ułamka mikrometra. Tak się mają do cząsteczek wody jak piłka plażowa do ziarnka piasku. W naturze występują np. w mleku. Gdyby oddziaływania przeskalować podobnie jak rozmiary, powstałby „świat Guliwera” ‒ taki sam jak „świat Liliputów” (czyli atomów), tyle że powiększony. W krysztale koloidalnym cząstki same ustawiają się w położeniach, w których odpychanie równoważy przyciąganie, tak jak to czynią atomy w normalnym krysztale. Gdyby możliwe było sterowanie siłami działającymi między cząstkami, moglibyśmy doprowadzić do samorzutnego powstawania kryształów koloidalnych o pożądanej strukturze i właściwościach, które można by zmieniać na życzenie. Zwykłe siły międzycząsteczkowe są na to za słabe, ale w oddziaływaniach między cząstkami może pośredniczyć płyn, w którym pływają, jeśli wykorzysta się zachodzące w nim przemiany fazowe.

 

Koloidosom widziany okiem mikroskopu elektronowego: kropla wody pokryta cząsteczkami koloidu. Fot. David Weitz research laboratory at Harvard UniversityWoda i alkohol mieszają się w dowolnych proporcjach, ale woda i olej już nie. Dla niektórych substancji organicznych granica ich mieszalności z wodą, tzw. temperatura krytyczna, odpowiada temperaturze pokojowej. W temperaturze krytycznej woda i substancja organiczna przestają tworzyć jeden płyn i zaczynają dzielić się na dwa płyny o różnych składach. Jeśli w płynie bliskim rozmieszania umieścić płytki, z których jedna jest wodolubna, a druga ma „wodowstręt”, to pierwsza pokryje się warstewką wody, a druga warstewką substancji organicznej. Im bliżej temperatury krytycznej, tym grubsze będą te warstwy. Zachowują się one podobnie jak cząsteczki – warstwa wody „lubi” wodę i „nie znosi” oleju. Dlatego dwie wodolubne płytki się przyciągają, a wodolubna z obdarzoną wodowstrętem – odpychają. Zasięg tych sił jest podobny do grubości zaadsorbowanych warstw i rośnie wraz ze zbliżaniem się do granicy mieszalności.

 

Kluczowa sól

 

Dla dwóch wodolubnych cząstek przyciągająca siła Casimira nałożona na odpychanie elektrostatyczne wygląda tak jak siły między atomami, ale w odpowiednio większej skali. W eksperymencie uczonych ze Stuttgartu, aby zmniejszyć zasięg elektrostatycznego odpychania, roztwór posolono. Jony soli otaczają bowiem cząstkę i zobojętniają jej ładunek. Z powodu ruchów termicznych warstwa, w której pływa ładunek zobojętniający, jest gruba, ale można ją zmniejszyć, zwiększając zawartość jonów w roztworze. W odległościach od naładowanej powierzchni większych od grubości tej warstwy siła elektrostatyczna praktycznie znika. W mniejszych odległościach nie zanika, bo ekranowanie jest niepełne. Rzeczywiście – po dodaniu soli równowagowa odległość między wodolubnymi cząstkami zmniejszyła się. Przy okazji zauważono, że cząstka mająca wodowstręt została przyciągnięta do pokrytego wodą podłoża z ładunkiem tego samego znaku.

 

Doktorantka Faezeh Pousaneh z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie z „kuchenną” wersją badanej przez siebie mieszaniny. Owoce symbolizują drobiny koloidu, białe ziarna – wodę, ciemne – lutydynę, czerwone – jony preferujące wodę. Fot. IChF PAN, Grzegorz KrzyżewskiKonstruując model matematyczny, wzięłyśmy pod uwagę, że sól rozpuszcza się wyłącznie w wodzie. Ten fakt okazał się kluczem do wyjaśnienia zagadki. Obliczając stężenie roztworu w różnych odległościach od naładowanej powierzchni odpychającej wodę, zauważyłyśmy, że blisko niej występowała nadwyżka substancji organicznej, ale już nieco dalej – nadwyżka wody. Druga wodolubna powierzchnia, napotykając tę nadwyżkę wody, zaczyna ją przyciągać, a wraz z nią i naszą powierzchnię, jakby i ona była wodolubna! Istotnie, wynikiem obliczeń było przyciąganie. Natomiast bliżej temperatury krytycznej znów pojawiło się odpychanie. W tym wypadku jednak nadwyżki wody w pobliżu ściany z wodowstrętem nie było.

 

Walka o terytorium

 

Skąd się wzięła woda przy ścianie, która wodę odpycha? Otóż ściana z jednej strony silnie przyciąga substancję organiczną, ale z drugiej strony jej ładunek silnie przyciąga jony. Jony nie mogą jednak wnikać do substancji organicznej. Pojawia się konkurencja o dostęp do ściany między składnikami, których sąsiedztwo jest wykluczone. Trochę jak walka wrogich ludów o to samo terytorium nad rzeką. Kompromisem okazuje się przyciągnięcie przez ścianę jonów, ale nie samych, tylko wraz z otaczającymi je cząsteczkami wody. Cały „pakiet” jonów z wodą ustawia się tuż za warstwą organiczną. Bliżej temperatury krytycznej warstwa organiczna staje się za gruba i siły elektrostatyczne nie wystarczają do wytworzenia nadwyżki wody. Wygląda to tak, jakby najsilniejsze plemię stworzyło miasto nad rzeką, a pozostałe dwa – wspólną osadę na przedmieściu, przyciągającą współplemieńców z innych stron. Rosnąc, miasto wchłania osadę i na jej terenie wcześniejsi mieszkańcy nie stanowią już większości. Osada przyciąga już tylko dominujące plemię.

 

1+1>0

 

Oczywiście, że 1+1 to więcej niż zero. To złożone zjawiska fizyczne sprawiają, że w omawianym eksperymencie lewa strona tej nierówności wygląda zupełnie inaczej, niż się pierwotnie zdawało. Tłumaczenie pozornych paradoksów na podstawie teorii wychodzących z pierwszych zasad, to ogromna przyjemność, tym bardziej że głębsze zrozumienie zjawisk może prowadzić do ich praktycznego wykorzystania. Odkryte przez nas zachowanie powierzchni odpychającej wodę, która dla pewnej temperatury zachowuje się, jakby była wodolubna, może się okazać pożyteczne.

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Pousaneh F., Ciach A. (2011). The origin of the attraction between like charged hydrophobic and hydrophilic walls confining a near-critical binary aqueous mixture with ions. J. Phys.: Condens. Matter, 23, 412101-1-412101-5.
Hertlein C., Helden L., Gambassi A., Dietrich S., Bechinger C. (2008). Direct measurement of critical Casimir forces. Nature, 451, 172-175.
Nellen U., Dietrich J., Helden L., Chodankar S., Nygard K., Van der Veen J., Bechinger C. (2011). Salt-induced changes of colloidal interactions in critical mixtures. Soft Matter, 7, 5360-5364. Ciach A., Maciolek A. (2010). Distribution of ions near a charged selective surface in critical binary solvents. Phys. Rev. E, 81, 041127-1-. 041127-11.


© Academia nr 1 (29) 2012

 

 

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Tematy

agrofizyka antropologia jedzenia antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finanse finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa inżynieria żywności język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kooperatyzm kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 oceanografia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleogeografia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt punktoza Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl