最近一篇論文發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象，就是在溶液中，同種電荷的粒子有時(shí)候會(huì)相互吸引，而不是像我們通常認(rèn)為的那樣相互排斥。而且，這種吸引力還取決于電荷的正負(fù)號(hào)和溶劑的性質(zhì)。

電荷之間的力

我們都知道，電荷之間有兩種基本的力，一種是庫(kù)侖力，一種是范德華力。庫(kù)侖力是電荷之間的靜電力，它遵循庫(kù)侖定律，即兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的力與它們的電荷量的乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比，而且方向沿著它們的連線。庫(kù)侖力的性質(zhì)很簡(jiǎn)單，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。范德華力是分子之間的吸引力，它是由于分子的瞬時(shí)偶極矩引起的。范德華力的大小與分子的極化率有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，范德華力比庫(kù)侖力要弱得多，而且隨著距離的增加很快衰減。

在溶液中，電荷之間的力還要考慮溶劑分子的影響。溶劑分子會(huì)在電荷周?chē)纬梢粋€(gè)層狀的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為溶劑化層。溶劑化層的性質(zhì)取決于溶劑分子的極性，即它們是否有永久的偶極矩。如果溶劑分子是極性的，那么它們會(huì)傾向于靠近電荷，使得它們的偶極矩與電荷的方向一致。這樣，溶劑化層就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電荷相反的電勢(shì)，稱(chēng)為溶劑化電勢(shì)。溶劑化電勢(shì)會(huì)減弱電荷之間的庫(kù)侖力，使得同種電荷之間的排斥力變小，異種電荷之間的吸引力變大。如果溶劑分子是非極性的，比如苯，那么它們就不會(huì)受到電荷的影響，溶劑化層就不會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，電荷之間的庫(kù)侖力就不會(huì)改變。

除了溶劑化層，溶液中還有一些游離的離子，稱(chēng)為反離子。反離子是指與電荷符號(hào)相反的離子，比如在水中，正電荷周?chē)鷷?huì)有一些氯離子，負(fù)電荷周?chē)鷷?huì)有一些鈉離子。反離子會(huì)被電荷吸引，形成一個(gè)叫做電雙層的結(jié)構(gòu)。電雙層的內(nèi)層是緊密吸附在電荷表面的反離子，外層是在溶劑中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的反離子。電雙層也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電荷相反的電勢(shì)，稱(chēng)為電動(dòng)電勢(shì)。電動(dòng)電勢(shì)會(huì)進(jìn)一步減弱電荷之間的庫(kù)侖力，甚至有可能使得同種電荷之間出現(xiàn)短程的吸引力，這就是所謂的電動(dòng)力學(xué)吸引力。

綜上所述，電荷之間的力是由庫(kù)侖力、范德華力、溶劑化電勢(shì)和電動(dòng)電勢(shì)共同決定的。這些力的相對(duì)大小和方向取決于電荷的量、符號(hào)、分布、距離、溶劑的性質(zhì)、溶液的濃度等因素。一般來(lái)說(shuō)，我們可以用一個(gè)經(jīng)典的理論來(lái)描述這些力，就是DLVO理論。DLVO理論是由德?tīng)柤恿帧⑻m道、韋爾維和奧弗比克四位科學(xué)家在上世紀(jì)四十年代提出的，它把電荷之間的力分為兩部分，一部分是庫(kù)侖力和電動(dòng)電勢(shì)的合成，稱(chēng)為電動(dòng)力學(xué)力，另一部分是范德華力。DLVO理論可以很好地解釋許多膠體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和相行為，比如膠體粒子的聚集、沉淀、凝膠化等。

電荷依賴(lài)遠(yuǎn)程力

然而，DLVO理論并不是完美的，它也有一些局限性和缺陷。比如，它忽略了溶劑化電勢(shì)的影響，認(rèn)為溶劑分子是均勻分布的。它也忽略了電荷的分布和形狀的影響，認(rèn)為電荷是均勻分布在球形粒子的表面的。它還假設(shè)了溶液是稀薄的，反離子的濃度是恒定的。這些假設(shè)在一些特殊的情況下是不成立的，比如在高濃度、高電荷、低介電常數(shù)的溶液中，或者在有復(fù)雜電荷分布和形狀的粒子的溶液中。在這些情況下，DLVO理論可能會(huì)失效，電荷之間的力可能會(huì)出現(xiàn)一些非常奇怪的現(xiàn)象，比如同種電荷之間的長(zhǎng)程吸引力，或者電荷符號(hào)的不對(duì)稱(chēng)性。

這就是文章開(kāi)頭提到的論文的主要內(nèi)容。他們用一種叫做光學(xué)捕獲器的儀器來(lái)測(cè)量不同電荷的粒子在不同溶劑中的相互作用力。光學(xué)捕獲器是一種利用激光束來(lái)捕獲和操縱微小物體的技術(shù)，它可以非常精確地控制和測(cè)量物體之間的距離和力。研究人員用光學(xué)捕獲器來(lái)捕獲兩個(gè)帶電的粒子，然后改變它們之間的距離，同時(shí)測(cè)量它們之間的力。

他們發(fā)現(xiàn)，在水中，當(dāng)兩個(gè)粒子都帶正電時(shí)，它們之間會(huì)出現(xiàn)一種長(zhǎng)程的吸引力，而且這種吸引力隨著距離的增加而增大。這與DLVO理論的預(yù)測(cè)完全相反，因?yàn)榘凑誅LVO理論，同種電荷之間應(yīng)該是排斥的，而且這種排斥力隨著距離的增加而減小。當(dāng)兩個(gè)粒子都帶負(fù)電時(shí)，它們之間也會(huì)出現(xiàn)一種長(zhǎng)程的吸引力，但是這種吸引力隨著距離的增加而減小，而且比正電荷之間的吸引力要弱得多。當(dāng)一個(gè)粒子帶正電，另一個(gè)粒子帶負(fù)電時(shí)，它們之間會(huì)出現(xiàn)一種短程的吸引力，然后是一種長(zhǎng)程的排斥力，這與DLVO理論的預(yù)測(cè)是一致的。

他們還發(fā)現(xiàn)，這些現(xiàn)象不僅在水中出現(xiàn)，還在其他一些極性溶劑中出現(xiàn)，比如甲醇、乙醇、丙酮等。但是，在非極性溶劑中，比如苯、甲苯、環(huán)己烷等，這些現(xiàn)象就消失了，電荷之間的力就符合DLVO理論的預(yù)測(cè)。這說(shuō)明，這些現(xiàn)象是由溶劑化電勢(shì)引起的，而不是由電動(dòng)電勢(shì)或者范德華力引起的。溶劑化電勢(shì)是由于溶劑分子的極性和電荷的相互作用產(chǎn)生的，所以只有在極性溶劑中才會(huì)出現(xiàn)。