同种电荷相吸：溶剂化层的独特作用
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最近一篇论文发现了一个非常有趣的现象，就是在溶液中，同种电荷的粒子有时候会相互吸引，而不是像我们通常认为的那样相互排斥。而且，这种吸引力还取决于电荷的正负号和溶剂的性质。
电荷之间的力我们都知道，电荷之间有两种基本的力，一种是库仑力，一种是范德华力。库仑力是电荷之间的静电力，它遵循库仑定律，即两个点电荷之间的力与它们的电荷量的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比，而且方向沿着它们的连线。库仑力的性质很简单，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。范德华力是分子之间的吸引力，它是由于分子的瞬时偶极矩引起的。范德华力的大小与分子的极化率有关，一般来说，范德华力比库仑力要弱得多，而且随着距离的增加很快衰减。 在溶液中，电荷之间的力还要考虑溶剂分子的影响。溶剂分子会在电荷周围形成一个层状的结构，称为溶剂化层。溶剂化层的性质取决于溶剂分子的极性，即它们是否有永久的偶极矩。如果溶剂分子是极性的，那么它们会倾向于靠近电荷，使得它们的偶极矩与电荷的方向一致。这样，溶剂化层就会产生一个与电荷相反的电势，称为溶剂化电势。溶剂化电势会减弱电荷之间的库仑力，使得同种电荷之间的排斥力变小，异种电荷之间的吸引力变大。如果溶剂分子是非极性的，比如苯，那么它们就不会受到电荷的影响，溶剂化层就不会产生电势，电荷之间的库仑力就不会改变。 除了溶剂化层，溶液中还有一些游离的离子，称为反离子。反离子是指与电荷符号相反的离子，比如在水中，正电荷周围会有一些氯离子，负电荷周围会有一些钠离子。反离子会被电荷吸引，形成一个叫做电双层的结构。电双层的内层是紧密吸附在电荷表面的反离子，外层是在溶剂中随机运动的反离子。电双层也会产生一个与电荷相反的电势，称为电动电势。电动电势会进一步减弱电荷之间的库仑力，甚至有可能使得同种电荷之间出现短程的吸引力，这就是所谓的电动力学吸引力。 综上所述，电荷之间的力是由库仑力、范德华力、溶剂化电势和电动电势共同决定的。这些力的相对大小和方向取决于电荷的量、符号、分布、距离、溶剂的性质、溶液的浓度等因素。一般来说，我们可以用一个经典的理论来描述这些力，就是DLVO理论。DLVO理论是由德尔加林、兰道、韦尔维和奥弗比克四位科学家在上世纪四十年代提出的，它把电荷之间的力分为两部分，一部分是库仑力和电动电势的合成，称为电动力学力，另一部分是范德华力。DLVO理论可以很好地解释许多胶体系统的稳定性和相行为，比如胶体粒子的聚集、沉淀、凝胶化等。 电荷依赖远程力然而，DLVO理论并不是完美的，它也有一些局限性和缺陷。比如，它忽略了溶剂化电势的影响，认为溶剂分子是均匀分布的。它也忽略了电荷的分布和形状的影响，认为电荷是均匀分布在球形粒子的表面的。它还假设了溶液是稀薄的，反离子的浓度是恒定的。这些假设在一些特殊的情况下是不成立的，比如在高浓度、高电荷、低介电常数的溶液中，或者在有复杂电荷分布和形状的粒子的溶液中。在这些情况下，DLVO理论可能会失效，电荷之间的力可能会出现一些非常奇怪的现象，比如同种电荷之间的长程吸引力，或者电荷符号的不对称性。
这就是文章开头提到的论文的主要内容。他们用一种叫做光学捕获器的仪器来测量不同电荷的粒子在不同溶剂中的相互作用力。光学捕获器是一种利用激光束来捕获和操纵微小物体的技术，它可以非常精确地控制和测量物体之间的距离和力。研究人员用光学捕获器来捕获两个带电的粒子，然后改变它们之间的距离，同时测量它们之间的力。 他们发现，在水中，当两个粒子都带正电时，它们之间会出现一种长程的吸引力，而且这种吸引力随着距离的增加而增大。这与DLVO理论的预测完全相反，因为按照DLVO理论，同种电荷之间应该是排斥的，而且这种排斥力随着距离的增加而减小。当两个粒子都带负电时，它们之间也会出现一种长程的吸引力，但是这种吸引力随着距离的增加而减小，而且比正电荷之间的吸引力要弱得多。当一个粒子带正电，另一个粒子带负电时，它们之间会出现一种短程的吸引力，然后是一种长程的排斥力，这与DLVO理论的预测是一致的。 他们还发现，这些现象不仅在水中出现，还在其他一些极性溶剂中出现，比如甲醇、乙醇、丙酮等。但是，在非极性溶剂中，比如苯、甲苯、环己烷等，这些现象就消失了，电荷之间的力就符合DLVO理论的预测。这说明，这些现象是由溶剂化电势引起的，而不是由电动电势或者范德华力引起的。溶剂化电势是由于溶剂分子的极性和电荷的相互作用产生的，所以只有在极性溶剂中才会出现。 |
