Un nuevo estudio ha puesto patas arriba un principio fundamental de la física al demostrar que partículas con cargas similares pueden atraerse entre sí en una solución, y el efecto varía entre cargas positivas y negativas dependiendo del disolvente. Este descubrimiento tiene implicaciones importantes para diversos procesos científicos, incluidos el autoensamblaje y la cristalización. La investigación revela la importancia de la estructura del disolvente en la interfaz para determinar las interacciones entre partículas, desafiando creencias arraigadas e indicando la necesidad de una reevaluación de nuestra comprensión de las fuerzas electromagnéticas. Crédito: Zhang Kang
“Las cargas opuestas se atraen; ya que las cargas se repelen entre sí” es un principio fundamental de la física básica. Sin embargo, un nuevo estudio de la Universidad de Oxford, publicado recientemente en la revista nanotecnología natural, demostró que partículas con carga similar en solución pueden atraerse entre sí a largas distancias.
Igualmente sorprendente es que el equipo descubrió que el efecto es diferente para partículas cargadas positiva y negativamente, dependiendo del disolvente.
Además de trastocar creencias arraigadas, estos resultados tienen implicaciones inmediatas para una variedad de procesos que involucran interacciones entre partículas e intermoleculares en diferentes escalas de longitud, incluido el autoensamblaje, la cristalización y la separación de fases.
El equipo de investigadores, con sede en el Departamento de Química de Oxford, descubrió que las partículas cargadas negativamente se atraen entre sí en grandes separaciones, mientras que las partículas cargadas positivamente se repelen, mientras que ocurría lo contrario con disolventes como los alcoholes.
Estos hallazgos son sorprendentes porque parecen contradecir el principio electromagnético central de que la fuerza entre cargas del mismo signo es repulsiva en todas las separaciones.
Observaciones experimentales
Ahora, utilizando microscopía de campo brillante, el equipo rastreó micropartículas de sílice cargadas negativamente suspendidas en agua y descubrió que las partículas se atraían entre sí para formar grupos dispuestos hexagonalmente. Sin embargo, las partículas de aminosílice cargadas positivamente no forman grupos en el agua.
Utilizando una teoría de interacciones entre partículas que tiene en cuenta la estructura del disolvente en la interfaz, el equipo estableció que, para las partículas cargadas negativamente en el agua, existe una fuerza de atracción que excede la repulsión electrostática en grandes separaciones, lo que lleva a la formación de grupos. Para las partículas cargadas positivamente en el agua, esta interacción inducida por el disolvente es siempre repulsiva y no se forman grupos.
Este efecto resultó depender del pH: el equipo pudo controlar la formación (o no) de grupos de partículas cargadas negativamente variando el pH. Independientemente del pH, las partículas cargadas positivamente no formaron grupos.
Efectos específicos de los disolventes y otros hallazgos.
Naturalmente, el equipo se preguntó si el efecto sobre las partículas cargadas podría alterarse, de modo que las partículas cargadas positivamente formen grupos y las partículas cargadas negativamente no. Al reemplazar el disolvente con alcoholes, como el etanol, que tienen un comportamiento de interfaz diferente con el agua, esto es exactamente lo que observaron: las partículas de aminosílice cargadas positivamente formaban grupos hexagonales, mientras que este no era el caso de la sílice cargada negativamente.
Según los investigadores, este estudio implica una recalibración fundamental de la comprensión que influirá en la forma en que pensamos sobre procesos tan diferentes como la estabilidad de los productos farmacéuticos y la química fina o la disfunción patológica asociada con la agregación molecular en las enfermedades humanas. Los nuevos hallazgos también proporcionan evidencia de la capacidad de investigar propiedades del potencial eléctrico interfacial debido al disolvente, como su signo y magnitud, que antes se pensaba que eran inconmensurables.
El profesor Madhavi Krishnan (Departamento de Química de la Universidad de Oxford), que dirigió el estudio, dijo: «Estoy realmente muy orgulloso de mis dos estudiantes de posgrado, así como de los estudiantes de pregrado, que trabajaron juntos para avanzar en este descubrimiento fundamental. .”
Sida Wang (Departamento de Química de la Universidad de Oxford), una de las primeras autoras del estudio, dijo: “Todavía me resulta fascinante ver cómo estas partículas se atraen entre sí, incluso después de haberlas visto mil veces. »
Referencia: “Una fuerza dependiente de carga de largo alcance impulsa el ensamblaje personalizado de materia en solución” por Sida Wang, Rowan Walker-Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn y Madhavi Krishnan, 30 de febrero de 2024, Nanotecnología de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41565-024-01621-5
