Sebuah studi baru telah membalikkan prinsip dasar fisika dengan menunjukkan bahwa partikel bermuatan serupa dapat menarik satu sama lain dalam suatu larutan, dengan efek yang bervariasi antara muatan positif dan negatif tergantung pada pelarutnya. Penemuan ini memiliki implikasi signifikan terhadap berbagai proses ilmiah, termasuk perakitan mandiri dan kristalisasi. Penelitian ini mengungkapkan pentingnya struktur pelarut pada antarmuka dalam menentukan interaksi antarpartikel, menantang keyakinan lama dan menunjukkan perlunya evaluasi ulang pemahaman kita tentang gaya elektromagnetik. Kredit: Zhang Kang
“Muatan yang berlawanan akan tarik-menarik; muatan sejenis tolak menolak” adalah prinsip dasar fisika dasar. Namun, sebuah studi baru dari Universitas Oxford, baru-baru ini diterbitkan di jurnal tersebut Nanoteknologi Alam, telah menunjukkan bahwa partikel bermuatan serupa dalam larutan sebenarnya dapat saling tarik menarik dalam jarak yang jauh.
Yang mengejutkan, tim menemukan bahwa efeknya berbeda untuk partikel bermuatan positif dan negatif, bergantung pada pelarutnya.
Selain menjungkirbalikkan keyakinan lama, hasil ini memiliki implikasi langsung terhadap serangkaian proses yang melibatkan interaksi antarpartikel dan antarmolekul dalam berbagai skala panjang, termasuk perakitan sendiri, kristalisasi, dan pemisahan fasa.
Tim peneliti, yang berbasis di Departemen Kimia Oxford, menemukan bahwa partikel bermuatan negatif menarik satu sama lain pada jarak yang besar sedangkan partikel bermuatan positif saling tolak menolak, sedangkan sebaliknya terjadi pada pelarut seperti alkohol.
Temuan ini mengejutkan karena tampaknya bertentangan dengan prinsip elektromagnetik sentral bahwa gaya antara muatan bertanda sama bersifat tolak menolak pada semua jarak.
Pengamatan Eksperimental
Sekarang, dengan menggunakan mikroskop medan terang, tim melacak mikropartikel silika bermuatan negatif yang tersuspensi dalam air dan menemukan bahwa partikel-partikel tersebut saling tarik menarik untuk membentuk kelompok yang tersusun secara heksagonal. Namun, partikel silika teraminasi yang bermuatan positif tidak membentuk kelompok di dalam air.
Dengan menggunakan teori interaksi antarpartikel yang mempertimbangkan struktur pelarut pada antarmuka, tim menetapkan bahwa untuk partikel bermuatan negatif dalam air, terdapat gaya tarik menarik yang melebihi tolakan elektrostatik pada jarak yang besar, sehingga mengarah pada pembentukan cluster. Untuk partikel bermuatan positif dalam air, interaksi yang didorong oleh pelarut ini selalu bersifat tolak menolak, dan tidak ada gugus yang terbentuk.
Efek ini ditemukan bergantung pada pH: tim mampu mengontrol pembentukan (atau tidak) cluster partikel bermuatan negatif dengan memvariasikan pH. Berapa pun pHnya, partikel bermuatan positif tidak membentuk kelompok.
Efek Spesifik Pelarut dan Penemuan Lebih Lanjut
Tentu saja, tim bertanya-tanya apakah efek pada partikel bermuatan dapat diubah, sehingga partikel bermuatan positif membentuk kelompok dan partikel negatif tidak. Dengan mengubah pelarut menjadi alkohol, seperti etanol, yang memiliki perilaku antarmuka berbeda dengan air, hal inilah yang mereka amati: partikel silika teraminasi yang bermuatan positif membentuk kelompok heksagonal, sedangkan silika yang bermuatan negatif tidak.
Menurut para peneliti, penelitian ini menyiratkan kalibrasi ulang mendasar dalam pemahaman yang akan mempengaruhi cara kita berpikir tentang proses yang berbeda seperti stabilitas produk farmasi dan bahan kimia atau kerusakan patologis yang terkait dengan agregasi molekul pada penyakit manusia. Temuan baru ini juga memberikan bukti kemampuan untuk menyelidiki sifat-sifat potensial listrik antarmuka akibat pelarut, seperti tanda dan besarannya, yang sebelumnya dianggap tidak dapat diukur.
Profesor Madhavi Krishnan (Departemen Kimia, Universitas Oxford), yang memimpin penelitian ini, mengatakan: “Saya sangat bangga dengan dua mahasiswa pascasarjana saya, serta para mahasiswa sarjana, yang semuanya telah bekerja sama untuk menggerakkan jarum dalam penemuan mendasar ini. .”
Sida Wang (Departemen Kimia, Universitas Oxford), penulis pertama studi ini, mengatakan: “Saya masih merasa tertarik melihat partikel-partikel ini saling tarik menarik, bahkan setelah melihatnya ribuan kali.”
Referensi: “Gaya jarak jauh yang bergantung pada muatan menggerakkan kumpulan materi yang disesuaikan dalam larutan” oleh Sida Wang, Rowan Walker-Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn, dan Madhavi Krishnan, 30 Februari 2024, Nanoteknologi Alam.
DOI: 10.1038/s41565-024-01621-5
