Czasem odpychanie może... przyciągać

Zaskakujące wyniki eksperymentów z mieszaninami, w których dwa różne oddziaływania odpychające prowadziły do silnego przyciągania, udało się wyjaśnić w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie - instytut poinformował o tym w przesłanym PAP komunikacie.

Badania pod kierunkiem prof. Aliny Ciach z IChF PAN prowadziła Faezeh Pousaneh z Iranu, doktorantka pracująca w IChF PAN w ramach Międzynarodowych Projektów Doktoranckich Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Badaczki wzięły pod lupę zeszłoroczne eksperymenty z mieszaninami, przeprowadzone na Uniwersytecie w Stuttgarcie. Rezultaty tamtych badań były zaskoczeniem dla wielu naukowców. Otóż w jednym z obserwowanych tam układów - mieszanin - działała siła odpychająca. Gdy wprowadzono drugą, innego rodzaju siłę odpychającą, układy silnie zaczęły się przyciągać - efekt był odwrotny od oczekiwanego. Naukowcy nie potrafili wyjaśnić dlaczego tak się dzieje. Dopiero badania w IChF PAN pokazały, co może się dziać poczas takiego eksperymentu.

"Zbudowałyśmy od podstaw model teoretyczny badanego w Niemczech układu i z powodzeniem zweryfikowałyśmy jego przewidywania z wynikami eksperymentów. Dzięki temu potrafimy wyjaśnić, jak złożenie dwóch odpychań przekształca się w przyciąganie" - stwierdziła prof. Alina Ciach.

Jako układ modelowany w IChF PAN wybrano mieszaninę wody i oleistej cieczy organicznej – lutydyny. W mieszaninie znajdowały się także jony soli. Sam płyn był umieszczony między dwiema naładowanymi elektrycznie ściankami, jedną hydrofilową (przyciągającą wodę), a drugą hydrofobową (odpychającą wodę).

IChF PAN w swoim komunikacie wyjaśnia, że woda z lutydyną mieszają się tylko w pewnym zakresie temperatur. Kiedy układ zbliża się do takiej granicznej temeratury, substancje nie mogą się "zdecydować", czy mają wymieszany, czy rozdzielone. "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" - wyjaśniła Faezeh Pousaneh.

Niecodzienne zachowanie modelowanego układu ujawniało się po przyłożeniu w tych warunkach obu ścianek ładunku elektrycznego tego samego znaku. Między ściankami działało wtedy drugi rodzaj odpychania - odpychanie elektrostatyczne. Mimo to ścianki układu zaczynały się przyciągać. "W ruch poszły kartki i ołówki. Razem z Faezeh, za pomocą obliczeń czysto analitycznych, wyprowadziłyśmy konkretne wzory opisujące przebieg zjawiska" - podkreśliła prof. Ciach.

Jak informuje IChF PAN, 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! Zatem 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" - mówiła Pousaneh.

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.

"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" - powiedziała 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.

"Zatem sterując temperaturą będziemy mogli zmusić koloid do wytworzenia określonej struktury. Potem wystarczy ją utrwalić i użyć, na przykład w inżynierii materiałowej" - podkreśla prof. Ciach.

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

Zespół z IChF PAN zamierza kontynuować badania nad wariantami modelowanych układów.

Żródło:

PAP - Nauka w Polsce, www.naukawpolsce.pap.pl

Fotografia:
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.