反対の電荷を持つ粒子は互いに引き合い、同じ電荷を持つ粒子は反発するというのは物理学の基本原理である。だが、オックスフォード大学の研究チームは、特定の状況下で粒子が同じ電荷のものを引き寄せることができることを発見した。

この発見は、電磁気理論の核心的な考え方に挑戦するだけでなく、さまざまな科学的・工業的プロセスにも重大な影響を与えるものである。

粒子はプラスかマイナスの電荷を得ることができ、それによって他の粒子の周囲での振る舞いが決まる。正反対の電荷を持つ2つの粒子を近づけると引き合い、同じ電荷を持つ2つの粒子は反発する。この静電気力は、電荷の総量が増え、粒子同士が近づくほど強くなり、クーロンの法則として知られている。

しかし新しい研究で、科学者たちはこの法則の例外を発見した。ある種の溶液に浮遊させると、荷電粒子の中には、比較的長い距離であっても同じ電荷の粒子を引き寄せるものがある。さらに奇妙なことに、プラスとマイナスの電荷を持つ粒子は、溶液によって挙動が異なる。

実験では、マイナス電荷を帯びたシリカ微粒子を水に懸濁させたところ、あるpHレベルでは、それらが互いに引き合って六角形のクラスターを形成することがわかった。これは、同じ電荷を持つ粒子はどのような距離でも反発し合うはずだという基本的な電磁気の原理に反しているように見える。しかし、溶媒の構造を考慮した粒子間相互作用の理論を用いてこの効果を調べたところ、静電反発を克服できる新たな吸引力が発見された。

しかし、これは正電荷を帯びたアミノ化シリカ粒子の場合ではなかった。どのpHレベルの水中でも、この相互作用は反発したままだった。そこで研究チームは、これを逆転させることができないかと考え、別の溶媒（この場合はアルコール）に変えることで、正電荷を帯びた粒子が集まり、負電荷を帯びた粒子は反発したままになることを発見した。

研究チームによれば、この発見は、われわれの思い込みを大きく見直させる可能性があり、自己組織化、結晶化、相分離といったプロセスの実用化学に応用できる可能性があるという。

論文

• Nature Nanotechnology: A charge-dependent long-ranged force drives tailored assembly of matter in solution

参考文献

• University of Oxford Department of Chemistry: It’s not only opposites that attract – new study shows like-charged particles can come together
• bbb

研究の要旨