同電荷粒子相吸引，某些溶液正發生違反基本物理規則的事

「同性電荷相斥、異性電荷相吸」是物理學基本原理，但牛津大學科學家最近發現這條鐵則的例外。某些情況下，溶液中帶類似電荷的粒子竟能在長距離內相互吸引。

粒子可以獲得正電荷或負電荷，這決定它們在其他粒子周圍的行為，2 個帶相反電荷的物體靠近會互相吸引，2 個帶相同電荷的物體會互相排斥。而隨著總電荷增加和粒子彼此更靠近，靜電力也變得更強（靜電力的量值與其電量乘積成正比），這就是庫侖定律（Coulomb’s law）。

但牛津大學團隊最近發現一件怪事。當懸浮在某些溶液時，一些帶電粒子就算距離相對較長仍會吸引相同電荷粒子；更奇怪的是，帶正電和帶負電的粒子在不同溶液表現也有異。

研究人員首先將帶負電的二氧化矽微粒懸浮在水中，發現它們相互吸引形成六角形排列的簇，但帶正電的胺化二氧化矽顆粒不會形成簇狀。

這似乎違反基本電磁原理，即相同電荷的粒子無論任何距離都應該相互排斥。

在參考界面處溶劑結構顆粒的相互作用理論後，團隊確定發現一種可以克服靜電斥力的新吸引力，使水中帶負電的微粒在大間距下吸引力超過靜電斥力導致團簇形成，而水中帶正電的粒子因溶劑驅動的相互作用始終排斥，所以不會形成簇。

這種效應還與 pH 值相關，研究人員能透過改變 pH 值來控制帶負電粒子簇形成或不形成，無論 pH 值如何，帶正電的粒子都不會形成簇狀。

不過科學家又想知道情況是否能 180 度翻轉，即讓帶正電的粒子形成簇、帶負電粒子不形成簇。透過改用不同溶劑（團隊實驗選擇與水具不同界面行為的醇類）後，果然變成帶正電的胺化二氧化矽粒子聚集成六角形簇，帶負電的二氧化矽則保持排斥狀態。

這項發現可能促使我們重新思考基本電磁原理，並且對不同化學溶液的相互作用具直接影響，包括自組裝（self-assembly）、結晶（crystallization）、相分離（phase separation）等過程。

新論文發表在《自然奈米技術》（Nature Nanotechnology）期刊。

• Fundamental physics rule violated as same-charge particles attract
• It’s not only opposites that attract – new study shows like-charged particles can come together

（首圖來源：牛津大學）