你有没有想过是什么连接了世界？ 你可能会想到重力，一种无形的力量，将一切拉向地球的中心。 或者你可能会想到电磁力，这种力可以让磁铁粘在冰箱上，并允许电流通过电线。 但是你知道吗，根据《自然纳米技术》最近的一篇文章，科学家最近发现了一种新的自然力量，它隐藏在一滴水中？ 这种力称为电解力，它决定了微小颗粒在水和其他液体中的惊人行为。 这些颗粒被称为胶体，它们是如此之小，以至于只能用显微镜看到。 它们无处不在，从牛奶和油漆到鲜血和云彩。 胶体通常带有正电荷或负电荷，它们相互影响以及它们所在的液体。
你可能会期望相同电荷的粒子相互排斥，就好像同一极的两块磁铁面对面一样。 经典物理学就是这种情况，大多数液体中也会发生这种情况。 但是在水中，发生了一些奇怪的事情：带负电的粒子相互吸引，形成团簇，而带正电的粒子保持分离。 这与您的预期相反，也违反了电荷反转对称原理，即电荷的符号不应影响相互作用。
那么，是什么导致了水中相同电荷的粒子之间的神秘吸引力呢？ 答案在于水分子的结构及其对电场的响应。 水分子的形状像一个V，两个氢原子连接到一个氧原子上。 氧原子的电负性更强，这意味着它将共享的电子拉近自身，导致分子的一端带轻微的负电荷，另一端带轻微的正电荷。 这使得水成为极性分子，这意味着它具有偶极矩或电荷分离。
水分子在液态水中不断移动和旋转，但它们往往与电场对齐，无论是来自外部源还是来自带电粒子。 当水分子接近带电粒子时，它会重新定向，使其相反的电荷朝向粒子，在粒子周围形成净电荷水分子层。 该层称为电双层，它影响粒子之间的相互作用。
电双层可分为两个区域：内区，水分子和颗粒的表面紧密结合; 外部区域，水分子松散地连接到颗粒表面，可以与水的体积交换。 粒子表面与水体积之间的电位差称为Zeta电位，它是粒子有效电荷的量度。
Zeta 电位取决于溶解在水中的粒子、水和离子的性质。 水中的离子屏蔽了粒子的电场，减少了Zeta电位和相同电荷粒子之间的排斥力。 这就是为什么在水中加入盐会使胶体更稳定并防止它们聚集在一起的原因。 然而，仅凭这种效应并不能解释水中相同电荷的粒子之间的吸引力，因为它应该同样适用于两个电荷符号。
理解吸引力的关键是观察电双层的内部区域，其中水分子和颗粒表面紧密结合。 在这里，水分子不是自由旋转，而是受到表面几何形状和化学成分的约束。 根据表面的类型，水分子可能采取不同的方向和排列，导致水结构的局部有序或无序。 这种有序或无序会影响系统的自由能，自由能是衡量一种状态在热力学上优越程度的指标。
系统的自由能取决于两个因素：熵，这是衡量系统无序程度的指标; 和焓，它是衡量系统释放或吸收多少热量的量度。 一般来说，系统倾向于通过最大化熵和最小化焓来最小化自由能。 然而，有时这两个因素会相互竞争，在有序和无序之间产生权衡。
这就是在电双层的内部区域发生的情况。 表面的水分子比水体积中的水分子具有更低的熵，因为它们更有序。 然而，它们也具有较低的焓，因为它们与表面和彼此之间形成更强的键。 这两个因素之间的平衡决定了系统的自由能，从而决定了粒子之间的相互作用。
发现电溶剂力的研究人员发现，熵和焓之间的平衡取决于粒子和溶剂的电荷符号。 在水中，带负电荷的粒子表面的水分子比带正电荷的粒子表面的水分子具有更低的焓，因为负电荷加强了水分子之间的氢键。 这意味着带负电粒子的系统自由能低于带正电粒子的自由能，导致相互作用的差异。
当两个带负电的粒子在水中彼此靠近时，电双层内部区域的水分子被挤出，增加了系统的熵，降低了系统的焓。 焓的减少大于熵的减少，导致自由能和粒子之间的吸引力净减少。 这种力称为电溶力，它克服了静电排斥力和范德华引力，这是总相互作用的另外两个组成部分。
当两个带正电的粒子在水中彼此靠近时，情况恰恰相反。 电双层内部区域的水分子被挤出，增加了系统的熵，降低了系统的焓。 焓的减少小于熵的减少，导致自由能和粒子之间的排斥力净增加。 这种力，加上静电排斥力和范德华引力，使总相互作用更加排斥。
研究人员还发现，电解力的符号可以通过改变溶剂来逆转。 他们测试了两种类型的酒精，乙醇和异丙醇，它们的分子结构与水不同。 乙醇和异丙醇具有与水相同的羟基 （OH），但它们也具有更疏水的烃链 （CH3）。 这使得它们的极性低于水，从而影响了它们在带电粒子表面的方向。
在水中，表面的水分子倾向于将其氧原子指向体积，从而产生负界面电位。 在乙醇和异丙醇中，表面的分子倾向于将其碳氢化合物链指向表面，从而产生正界面电位。 这意味着电解力的符号与水中的符号相反：带正电的粒子相互吸引形成团簇，而带负电的粒子相互排斥并保持分离。
研究人员用具有不同表面化学性质的胶体颗粒证明了这种现象，并测量了它们在水和酒精中的相互作用。 他们使用一种称为光学镊子的技术，该技术使用聚焦的激光束来捕获和操纵单个粒子。 他们测量了两个粒子之间的力作为其距离的函数，并将其与考虑电溶胶力的理论模型进行了比较。 他们发现实验和理论之间有很好的一致性，证实了他们的发现。
电解力是一种新的自然力，几十年来一直被忽视，但它对许多科学和工程领域具有重要意义。 它可以解释胶体系统（如晶体、凝胶和玻璃）中有序结构和图案的形成。 它还会影响生物分子的行为，例如蛋白质和核酸，这些分子通常带电荷并与水和其他溶剂相互作用。 电解力可以通过调节颗粒的电荷、溶剂和表面化学成分来提供一种控制和操纵溶液中物质的新方法。 它还可以激发新材料和设备的设计，利用电溶胶力的独特特性。
电解的力量是一个引人入胜的例子，说明物质和水之间的相互作用是多么复杂和丰富，以及我们还需要学习多少。 下次你看到一滴水时，请记住，有一种隐藏的力量在纳米尺度上塑造世界。
wang, s., walker-gibbons, r., watkins, b. et al. a charge-dependent long-ranged force drives tailored assembly of matter in solution. nat. nanotechnol. (2024).**10,000粉丝奖励计划