Gdy dwa obiekty odpychają się pod wpływem jednej siły, zwykle oczekujemy, że dodanie kolejnego odpychającego oddziaływania przyspieszy separację. Okazuje się jednak, że wcale nie musi tak być. W Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie udało się wyjaśnić zaskakujące wyniki eksperymentów z mieszaninami, w których dwa oddziaływania odpychające prowadziły do silnego przyciągania.
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie zainteresowali się tym problemem po tym, jak w ubiegłym roku ogłoszono zaskakujące wyniki eksperymentów z mieszaninami, przeprowadzonych na Uniwersytecie w Stuttgarcie. Ku powszechnemu zaskoczeniu, w jednym z badanych układów, w którym działała siła odpychająca, po wprowadzeniu drugiego oddziaływania odpychającego pojawiło się silne przyciąganie. Był to efekt odwrotny od oczekiwanego.
Dwie chemiczki IChF PAN zbudowały od podstaw model teoretyczny badanego w Niemczech układu i z powodzeniem zweryfikowały jego przewidywania z wynikami eksperymentów. Dzięki temu potrafimy wyjaśnić, jak złożenie dwóch odpychań przekształca się w przyciąganie - mówi prof. dr hab. Alina Ciach.
W IChF PAN modelowano mieszaninę wody i oleistej cieczy organicznej – lutydyny. W układzie znajdowały się także jony soli. Sam płyn umieszczono między dwiema naładowanymi elektrycznie ściankami, jedną hydrofilową (przyciągającą wodę), drugą hydrofobową. Woda z lutydyną miesza się tylko w pewnym zakresie temperatur. Ciekawa sytuacja pojawia się w pobliżu temperatury krytycznej, gdy układ "nie może się zdecydować", czy ma być wymieszany, czy rozmieszany.
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!
Razem z Faezeh, za pomocą obliczeń czysto analitycznych, wyprowadziłyśmy konkretne wzory opisujące przebieg zjawiska - mówi prof. Ciach. Kluczowym elementem modelu okazało się założenie, że jony w roztworze poruszają się wyłącznie w wodzie, unikają zaś lutydyny. Ścianki badanego układu miały ładunek elektryczny, zatem przyciągały ku sobie jony. Ale przy ściance hydrofobowej jest przecież warstwa lutydyny! - zauważa Pousaneh. Jon staje przed dylematem: chce dostać się do ścianki, lecz dostępu do niej broni lutydyna. Tę przeszkodę jon może pokonać tylko w jeden sposób: ciągnąc ze sobą wodę. W wyniku opisanego procesu powierzchnia ścianki, wcześniej hydrofobowa, zaczyna zachowywać się jak hydrofilowa, upodabniając się pod tym względem do drugiej ścianki. A dwie ścianki hydrofilowe 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. Sterując temperaturą będziemy mogli zmusić koloid do wytworzenia określonej struktury. Potem wystarczy ją utrwalić i użyć, na przykład w inżynierii materiałowej - podkreśla prof. Ciach.
Zdjęcie przedstawia Faezeh Pousaneh z IChF PAN z "kuchenną" wersją badanej przez siebie mieszaniny. Owoce symbolizują drobiny koloidu, białe ziarna – wodę, ciemne – lutydynę, czerwone – jony preferujące wodę.
Na podstawie informacji prasowej IChF PAN.
