Due nanoparticelle metalliche sferiche caricate allo stesso modo con cariche disuguali in una soluzione elettrolitica 1:1 si attrarranno in modo controintuitivo l'una con l'altra. Credito:dos Santos et al. ©2019 American Physical Society
Quando si tratta di carica elettrica, c'è un tema dominante:gli opposti si attraggono, e simili cariche si respingono. Ma in un nuovo studio, i fisici hanno fatto la sorprendente scoperta che due nanoparticelle metalliche sferiche caricate allo stesso modo con cariche disuguali possono attrarsi l'una con l'altra in una soluzione di elettrolita diluito. La ragione, in breve, è che la nanoparticella più caricata polarizza il nucleo metallico della nanoparticella meno caricata, che altera l'interazione tra le nanoparticelle.
I ricercatori, Alexandre P. dos Santos e Yan Levin dell'Università Federale del Rio Grande do Sul in Brasile, hanno pubblicato un articolo sull'attrazione a carica simile in un recente numero di Lettere di revisione fisica .
"Il nostro articolo chiarisce un comportamento molto controintuitivo che in precedenza si pensava fosse impossibile, "Levin ha detto Phys.org .
Questa non è la prima volta che i ricercatori osservano l'attrazione tra particelle con carica simile. Già nel 1980, la ricerca ha dimostrato che le particelle con carica simile possono attrarsi l'un l'altra se poste in una soluzione elettrolitica contenente controioni multivalenti. Un controione multivalente è uno ione che può perdere o guadagnare più di un elettrone per assumere una carica come ±2 o ±3, e il segno della carica è opposto a quello di un altro ione. Per esempio, lo ione alluminio Al 3+ è un controione multivalente per lo ione cloruro Cl - , insieme formando cloruro di alluminio, AlCl 3 . Quando i controioni multivalenti fanno parte di una soluzione elettrolitica, le loro cariche possono fluttuare in modo correlato, facendo sì che le particelle di carica simile nella soluzione si attraggano l'una con l'altra.
Però, nella nuova manifestazione, la soluzione elettrolitica è 1:1, il che significa che contiene solo controioni monovalenti, cioè., ioni che hanno solo ±1 carica. Poiché le correlazioni elettrostatiche tra gli ioni in soluzioni 1:1 sono trascurabili, è stato generalmente ipotizzato che le particelle con carica simile in queste soluzioni si respingano sempre l'una con l'altra. A sostegno di questa ipotesi, nel nuovo studio i ricercatori hanno dimostrato che le lastre di metallo caricate allo stesso modo in una soluzione elettrolitica 1:1 si respingono sempre.
Fino ad ora, tutti gli studi precedenti in quest'area hanno studiato solo situazioni in cui le due particelle con carica simile hanno la stessa grandezza di carica. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno esaminato cosa succede quando le due particelle hanno cariche disuguali (sebbene ancora dello stesso segno).
Hanno scoperto che, quando due particelle con cariche disuguali in una soluzione elettrolitica 1:1 si avvicinano l'una all'altra, la nanoparticella con la carica più forte polarizzerà il nucleo metallico della nanoparticella con la carica più debole, il che significa che la maggior parte degli elettroni nel nucleo si accumulerà su un lato del nucleo. Ciò fa sì che quella nanoparticella abbia una leggera carica positiva su un lato e una leggera carica negativa sull'altro lato. Le cariche non uniformi indotte dalla polarizzazione sul nucleo della nanoparticella possono far sì che le due nanoparticelle con carica disuguale si attraggano l'una con l'altra, anche se le nanoparticelle hanno lo stesso segno di carica complessiva. L'osservazione che l'attrazione si verifica solo tra nanoparticelle di metallo sferico con carica disuguale, e non tra lastre metalliche, indica l'importanza della curvatura e la presenza di un nucleo centrale per questo risultato controintuitivo.
Oltre ad essere un'interessante scoperta teorica, i risultati potrebbero essere molto utili anche se applicati a nanoparticelle d'oro, che sono in fase di sviluppo per una varietà di applicazioni mediche come il trattamento del cancro e la somministrazione di farmaci. Le nanoparticelle d'oro hanno una forte affinità per alcune superfici biologiche, come le membrane fosfolipidiche, che racchiudono le cellule. Nel nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che le nanoparticelle d'oro caricate negativamente sono generalmente respinte dalle superfici caricate negativamente delle membrane fosfolipidiche. Però, in determinate condizioni la forza tra le nanoparticelle d'oro e le membrane diventa attraente. I ricercatori hanno in programma di esplorare ulteriormente questi effetti e le loro implicazioni nella ricerca futura.
"Il meccanismo che abbiamo descritto potrebbe essere importante anche per comprendere la stabilità delle sospensioni di particelle biologiche, Levin ha detto. "Il metodo usuale per stabilizzare le sospensioni di nanoparticelle è attraverso la repulsione a carica simile, fondamentalmente sintetizzando particelle con carica superficiale in modo che si respingano l'un l'altro e non si attacchino tra loro. Qui mostriamo, però, che se la sospensione è sufficientemente polidispersa per dimensioni e carica, le nanoparticelle con carica simile possono effettivamente attrarsi l'un l'altra, attaccarsi e precipitare."
Una delle sfide che i ricercatori hanno affrontato durante il loro lavoro è stata la modellazione quantitativa dei nuovi risultati, poiché i metodi convenzionali sono altamente costosi dal punto di vista computazionale. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un metodo di approssimazione numerica modificato per calcolare le forze tra le nanoparticelle che funziona ordini di grandezza più velocemente rispetto ai metodi convenzionali. Il nuovo metodo offre anche vantaggi per lo studio delle forze tra nanoparticelle metalliche e membrane biologiche, così come per esplorare soluzioni più complicate. I ricercatori hanno in programma di indagare ulteriormente su entrambe le aree in futuro.
"Nel nostro gruppo, abbiamo una vasta linea di ricerca sui sistemi colloidali, che spazia dalle simulazioni alla teoria, " Levin ha detto. "Finora abbiamo esaminato teoricamente gli effetti della polarizzazione sulle particelle metalliche in 1:1 elettrolita. Poiché gli effetti di correlazione in tali soluzioni non sono molto forti, tali sistemi sono suscettibili della nostra trattazione teorica. Però, in soluzioni più complicate come l'elettrolita 3:1, gli effetti di correlazione tra ioni saranno molto importanti ei nostri strumenti teorici non saranno sufficienti. In questo caso stiamo sviluppando metodi di simulazione per studiare l'interazione tra nanoparticelle metalliche".
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