你有沒有想過是什麼連線了世界？ 你可能會想到重力，一種無形的力量，將一切拉向地球的中心。 或者你可能會想到電磁力，這種力可以讓磁鐵粘在冰箱上，並允許電流通過電線。 但是你知道嗎，根據《自然奈米技術》最近的一篇文章，科學家最近發現了一種新的自然力量，它隱藏在一滴水中？ 這種力稱為電解力，它決定了微小顆粒在水和其他液體中的驚人行為。 這些顆粒被稱為膠體，它們是如此之小，以至於只能用顯微鏡看到。 它們無處不在，從牛奶和油漆到鮮血和雲彩。 膠體通常帶有正電荷或負電荷，它們相互影響以及它們所在的液體。
你可能會期望相同電荷的粒子相互排斥，就好像同一極的兩塊磁鐵面對面一樣。 經典物理學就是這種情況，大多數液體中也會發生這種情況。 但是在水中，發生了一些奇怪的事情：帶負電的粒子相互吸引，形成團簇，而帶正電的粒子保持分離。 這與您的預期相反，也違反了電荷反轉對稱原理，即電荷的符號不應影響相互作用。
那麼，是什麼導致了水中相同電荷的粒子之間的神秘吸引力呢？ 答案在於水分子的結構及其對電場的響應。 水分子的形狀像乙個V，兩個氫原子連線到乙個氧原子上。 氧原子的電負性更強，這意味著它將共享的電子拉近自身，導致分子的一端帶輕微的負電荷，另一端帶輕微的正電荷。 這使得水成為極性分子，這意味著它具有偶極矩或電荷分離。
水分子在液態水中不斷移動和旋轉，但它們往往與電場對齊，無論是來自外部源還是來自帶電粒子。 當水分子接近帶電粒子時，它會重新定向，使其相反的電荷朝向粒子，在粒子周圍形成淨電荷水分子層。 該層稱為電雙層，它影響粒子之間的相互作用。
電雙層可分為兩個區域：內區，水分子和顆粒的表面緊密結合; 外部區域，水分子鬆散地連線到顆粒表面，可以與水的體積交換。 粒子表面與水體積之間的電位差稱為Zeta電位，它是粒子有效電荷的量度。
Zeta 電位取決於溶解在水中的粒子、水和離子的性質。 水中的離子遮蔽了粒子的電場，減少了Zeta電位和相同電荷粒子之間的排斥力。 這就是為什麼在水中加入鹽會使膠體更穩定並防止它們聚集在一起的原因。 然而，僅憑這種效應並不能解釋水中相同電荷的粒子之間的吸引力，因為它應該同樣適用於兩個電荷符號。
理解吸引力的關鍵是觀察電雙層的內部區域，其中水分子和顆粒表面緊密結合。 在這裡，水分子不是自由旋轉，而是受到表面幾何形狀和化學成分的約束。 根據表面的型別，水分子可能採取不同的方向和排列，導致水結構的區域性有序或無序。 這種有序或無序會影響系統的自由能，自由能是衡量一種狀態在熱力學上優越程度的指標。
系統的自由能取決於兩個因素：熵，這是衡量系統無序程度的指標; 和焓，它是衡量系統釋放或吸收多少熱量的量度。 一般來說，系統傾向於通過最大化熵和最小化焓來最小化自由能。 然而，有時這兩個因素會相互競爭，在有序和無序之間產生權衡。
這就是在電雙層的內部區域發生的情況。 表面的水分子比水體積中的水分子具有更低的熵，因為它們更有序。 然而，它們也具有較低的焓，因為它們與表面和彼此之間形成更強的鍵。 這兩個因素之間的平衡決定了系統的自由能，從而決定了粒子之間的相互作用。
發現電溶劑力的研究人員發現，熵和焓之間的平衡取決於粒子和溶劑的電荷符號。 在水中，帶負電荷的粒子表面的水分子比帶正電荷的粒子表面的水分子具有更低的焓，因為負電荷加強了水分子之間的氫鍵。 這意味著帶負電粒子的系統自由能低於帶正電粒子的自由能，導致相互作用的差異。
當兩個帶負電的粒子在水中彼此靠近時，電雙層內部區域的水分子被擠出，增加了系統的熵，降低了系統的焓。 焓的減少大於熵的減少，導致自由能和粒子之間的吸引力淨減少。 這種力稱為電溶力，它克服了靜電排斥力和范德華引力，這是總相互作用的另外兩個組成部分。
當兩個帶正電的粒子在水中彼此靠近時，情況恰恰相反。 電雙層內部區域的水分子被擠出，增加了系統的熵，降低了系統的焓。 焓的減少小於熵的減少，導致自由能和粒子之間的排斥力淨增加。 這種力，加上靜電排斥力和范德華引力，使總相互作用更加排斥。
研究人員還發現，電解力的符號可以通過改變溶劑來逆轉。 他們測試了兩種型別的酒精，乙醇和異丙醇，它們的分子結構與水不同。 乙醇和異丙醇具有與水相同的羥基 （OH），但它們也具有更疏水的烴鏈 （CH3）。 這使得它們的極性低於水，從而影響了它們在帶電粒子表面的方向。
在水中，表面的水分子傾向於將其氧原子指向體積，從而產生負介面電位。 在乙醇和異丙醇中，表面的分子傾向於將其碳氫化合物鏈指向表面，從而產生正介面電位。 這意味著電解力的符號與水中的符號相反：帶正電的粒子相互吸引形成團簇，而帶負電的粒子相互排斥並保持分離。
研究人員用具有不同表面化學性質的膠體顆粒證明了這種現象，並測量了它們在水和酒精中的相互作用。 他們使用一種稱為光學鑷子的技術，該技術使用聚焦的雷射束來捕獲和操縱單個粒子。 他們測量了兩個粒子之間的力作為其距離的函式，並將其與考慮電溶膠力的理論模型進行了比較。 他們發現實驗和理論之間有很好的一致性，證實了他們的發現。
電解力是一種新的自然力，幾十年來一直被忽視，但它對許多科學和工程領域具有重要意義。 它可以解釋膠體系統（如晶體、凝膠和玻璃）中有序結構和圖案的形成。 它還會影響生物分子的行為，例如蛋白質和核酸，這些分子通常帶電荷並與水和其他溶劑相互作用。 電解力可以通過調節顆粒的電荷、溶劑和表面化學成分來提供一種控制和操縱溶液中物質的新方法。 它還可以激發新材料和裝置的設計，利用電溶膠力的獨特特性。
電解的力量是乙個引人入勝的例子，說明物質和水之間的相互作用是多麼複雜和豐富，以及我們還需要學習多少。 下次你看到一滴水時，請記住，有一種隱藏的力量在奈米尺度上塑造世界。
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粉絲獎勵計畫