1. Doktorantka Faezeh Pousaneh z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie z "kuchenną" wersją badanej przez siebie mieszaniny. Owoce symbolizują drobiny koloidu, białe ziarna - wodę, ciemne - lutydynę, czerwone - jony preferujące wodę. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

Gdy dwa obiekty odpychają się pod wpływem jednej siły, zwykle oczekujemy, że dołożenie kolejnej, również odpychającej, przyspieszy separację. Okazuje się, że ta intuicja nie zawsze jest prawdziwa. W Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie udało się wyjaśnić zaskakujące wyniki eksperymentów z mieszaninami, w których dwa oddziaływania odpychające prowadziły do silnego przyciągania.

Wyniki zeszłorocznych eksperymentów z mieszaninami, przeprowadzonych na Uniwersytecie w Stuttgarcie, były zaskoczeniem dla wielu naukowców. W jednym z badanych układów działała siła odpychająca. Gdy wprowadzono drugą siłę odpychającą, pojawił się efekt odwrotny od oczekiwanego: mocne przyciąganie. Niecodziennym rezultatem zainteresowały się teoretyczki z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie. "Zbudowałyśmy od podstaw model teoretyczny badanego w Niemczech układu i z powodzeniem zweryfikowałyśmy jego przewidywania z wynikami eksperymentów. Dzięki temu potrafimy wyjaśnić, jak złożenie dwóch odpychań przekształca się w przyciąganie", mówi prof. dr hab. Alina Ciach z IChF PAN.

Układem modelowanym w IChF PAN była mieszanina wody i oleistej cieczy organicznej - lutydyny. W mieszaninie znajdowały się także jony soli. Sam płyn był umieszczony między dwiema naładowanymi elektrycznie ściankami, jedną hydrofilową, drugą hydrofobową.

Woda z lutydyną mieszają się tylko w pewnym zakresie temperatur. Ciekawa sytuacja pojawia się w pobliżu temperatury krytycznej, gdy układ nie może się "zdecydować", czy ma być wymieszany, czy rozmieszany. "W tych warunkach warstwa wody przy ściance hydrofilowej robi się stosunkowo gruba, podobnie jak warstwa oleju przy ściance hydrofobowej. A ponieważ woda z olejem się 'nie lubią', pojawia się siła rozpychająca ścianki", wyjaśnia Faezeh Pousaneh z Iranu, doktorantka pracująca w IChF PAN w ramach Międzynarodowych Projektów Doktoranckich Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Niecodzienne zachowanie modelowanego układu ujawniało się po przyłożeniu do obu ścianek ładunku elektrycznego tego samego znaku. Między ściankami działało wtedy drugie odpychanie, elektrostatyczne, a mimo to ścianki zaczynały się przyciągać! "W ruch poszły kartki i ołówki. Razem z Faezeh, za pomocą obliczeń czysto analitycznych, wyprowadziłyśmy konkretne wzory opisujące przebieg zjawiska", mówi prof. Ciach.

Kluczowym elementem modelu okazało się założenie, że jony w roztworze poruszają się wyłącznie w wodzie, unikają zaś lutydyny. Ścianki badanego układu miały ładunek elektryczny, zatem przyciągały ku sobie jony. "Ale przy ściance hydrofobowej jest przecież warstwa lutydyny!", zauważa Pousaneh. "Zatem jon staje przed dylematem: chce dostać się do ścianki, lecz dostępu do niej broni lutydyna. Tę przeszkodę jon może pokonać tylko w jeden sposób: ciągnąc ze sobą wodę". W wyniku opisanego procesu powierzchnia ścianki, wcześniej hydrofobowa, zaczyna zachowywać się jak hydrofilowa, upodabniając się pod tym względem do drugiej ścianki. A dwie ścianki hydrofilowe się przyciągają.

Zespół z IChF PAN zamierza kontynuować badania nad wariantami modelowanych układów. "Oddziaływania podobne do opisanych przez nas pojawiają się między naładowanymi cząstkami koloidalnymi o selektywnych powierzchniach. W zależności od temperatury, oddziaływania te raz są odpychające, raz przyciągające", mówi prof. Ciach. Okazuje się, że w wąskim zakresie temperatur potencjał przyjmuje minimum dla pewnej odległości między cząstkami, czyli jest podobny do potencjału odpowiedzialnego za ustawianie się atomów w węzłach sieci krystalicznej. "Zatem sterując temperaturą będziemy mogli zmusić koloid do wytworzenia określonej struktury. Potem wystarczy ją utrwalić i użyć, na przykład w inżynierii materiałowej", podkreśla prof. Ciach.

Badania zrealizowano w ramach Międzynarodowych Projektów Doktoranckich Fundacji na rzecz Nauki Polskiej przy współfinansowaniu z programu Innowacyjna Gospodarka Unii Europejskiej.