Odpychanie cząsteczek zamienione w przyciąganie...

Odpychanie cząsteczek zamienione w przyciąganie...

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie poinformował o wyjaśnieniu zaskakujących wyników eksperymentów z mieszaninami, w których dwa oddziaływania odpychające prowadziły do silnego przyciągania.

Inspiracją do badań na IChF PAN były wyniki zeszłorocznych eksperymentów z mieszaninami, przeprowadzonych na Uniwersytecie w Stuttgarcie. W jednym z badanych układów działała siła odpychająca, gdy wprowadzono drugą siłę odpychającą, pojawił się efekt odwrotny od oczekiwanego: mocne przyciąganie. Niecodziennym rezultatem zainteresowały się teoretyczki z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie, które zbudowały model teoretyczny zjawiska.

Układem modelowanym w IChF PAN była mieszanina wody i oleistej cieczy organicznej – lutydyny (dimetylopirydyna). W mieszaninie znajdowały się także jony soli. Tak przygotowany płyn umieszczono między dwiema naładowanymi elektrycznie ściankami, jedną hydrofilową, drugą hydrofobową.

Woda z lutydyną mieszają się tylko w pewnym zakresie temperatur. W pobliżu temperatury krytycznej mieszanina zachowuje się niestabilnie – układ jest w pobliżu punktu całkowitego wymieszania. "W tych warunkach warstwa wody przy ściance hydrofilowej robi się stosunkowo gruba, podobnie jak warstwa oleju przy ściance hydrofobowej. A ponieważ woda z olejem się 'nie lubią', pojawia się siła rozpychająca ścianki", wyjaśnia Faezeh Pousaneh z Iranu, doktorantka pracująca w IChF PAN w ramach Międzynarodowych Projektów Doktoranckich Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Niecodzienne zachowanie modelowanego układu ujawniało się po przyłożeniu do obu ścianek ładunku elektrycznego tego samego znaku. Między ściankami działało wtedy drugie odpychanie, elektrostatyczne, a mimo to ścianki zaczynały się przyciągać. Za pomocą obliczeń czysto analitycznych, prof. Cich wspólnie z Faezaeh Pousaneh wyprowadziły konkretne wzory opisujące przebieg zjawiska.

Kluczowym elementem modelu okazało się założenie, że jony w roztworze poruszają się wyłącznie w wodzie, unikają zaś lutydyny, natomiast ścianki badanego układu miały ładunek elektryczny, zatem przyciągały ku sobie jony. Jednak przy ściance hydrofobowej w takim układzie jest warstwa lutydyny, przez co jedyną możliwością przedostania się jonu do samej ścianki jest obecność otoczki wodnej wokół jonu. W wyniku opisanego procesu powierzchnia ścianki, wcześniej hydrofobowa, zaczyna zachowywać się jak hydrofilowa, upodabniając się pod tym względem do drugiej ścianki. Ostatecznym efektem są dwie ścianki hydrofilowe, które się przyciągają.

Zespół z IChF PAN zamierza kontynuować badania nad wariantami modelowanych układów. "Oddziaływania podobne do opisanych przez nas pojawiają się między naładowanymi cząstkami koloidalnymi o selektywnych powierzchniach. W zależności od temperatury, oddziaływania te raz są odpychające, raz przyciągające", mówi prof. Ciach. Okazuje się, że w wąskim zakresie temperatur potencjał przyjmuje minimum dla pewnej odległości między cząstkami, czyli jest podobny do potencjału odpowiedzialnego za ustawianie się atomów w węzłach sieci krystalicznej. Wykorzystując to zjawisko będzie można sterując temperaturą zmienić, a następnie utrwalić strukturę danego koloidu.

Badania zrealizowano w ramach Międzynarodowych Projektów Doktoranckich Fundacji na rzecz Nauki Polskiej przy współfinansowaniu z programu Innowacyjna Gospodarka Unii Europejskiej.

(pj)