同性电荷相斥，异性电荷相吸是基本的电磁学原理。但几十年来，科学家们偶尔会做出一种违反直觉且备受争议的观察：当分散在液体溶剂（如水或酒精）中时，带相同电荷的粒子有时也会相互吸引。
研究人员现在在《自然·纳米技术》上提出，这种现象源于溶剂的分子性质。该团队观察到，带负电荷的二氧化硅粒子在水中聚集并形成六边形簇，而带正电荷的二氧化硅变体在酒精中相互吸引。模拟水分子在带电粒子附近的 behavior 有助于揭示原因。
在之前的实验中，研究人员认为流体是一种连续的物质，但这忽略了其微小原子组成单元的影响。例如，水是由独立的分子组成的，这些分子是偶极子——你可以将它们想象成一侧的电荷比另一侧多，就像电池一样，牛津大学化学家、研究合著者马达维·克里希南说。水分子更倾向于与其他水分子结合，因此当它们靠近悬浮粒子时，它们倾向于将其两个略带正电荷的氢原子指向液体的其余部分，而将其略带负电荷的氧原子指向粒子。
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当水中带负电荷的二氧化硅粒子相互靠近时，它们会经历一种称为电荷调节的效应，即它们之间的排斥力会将附近的质子拉到每个粒子的表面，从而降低粒子的负电荷。这也减弱了它们对水分子氧原子的排斥力，随着二氧化硅粒子相互靠近，这种现象会加剧。这种变化将二氧化硅粒子从大约一微米远的地方拉到一起。
该团队在酒精中观察到相反的效果，因为酒精分子更倾向于在粒子表面向另一个方向引导：悬浮在酒精中的带正电荷的粒子反而会相互吸引。溶剂的酸度也会影响电荷，从而影响其中的粒子是否形成簇。
克里希南说，长期以来，科学家们一直不确定这种奇怪的吸引力是实验伪影还是真实的物理现象。批评者对之前观察到的这种效应提出异议，理由是光学畸变、粒子吸引力弱或流体动力导致粒子漂移到一起。“这篇论文解决了一个存在了 20 多年的谜团，”加州大学伯克利分校的化学家杰伊·T·格罗夫斯说。“它非常 thorough，我认为 [它是] 不可辩驳的，这种效应是溶剂的一种属性。”
克里希南说，这项发现的潜在用途“仅限于个人的创造力”。该团队未来的工作将研究粒子在其他溶剂中的行为，以及在生物学等领域的应用：分子（其中许多分子带有大量电荷）如何在细胞中组织自身。