"Le cariche opposte si attraggono; le cariche simili si respingono" è un principio fondamentale della fisica di base. Ma un nuovo studio dell'Università di Oxford, pubblicato oggi su Nature Nanotechnology , ha dimostrato che particelle con carica simile in soluzione possono infatti attrarsi a vicenda su lunghe distanze. Altrettanto sorprendentemente, il team ha scoperto che l'effetto è diverso per le particelle caricate positivamente e negativamente, a seconda del solvente.
Oltre a ribaltare convinzioni di lunga data, questi risultati hanno implicazioni immediate per una serie di processi che coinvolgono interazioni interparticellari e intermolecolari su scale di varia lunghezza, tra cui l'autoassemblaggio, la cristallizzazione e la separazione di fase.
Il team di ricercatori, con sede presso il Dipartimento di Chimica di Oxford, ha scoperto che le particelle caricate negativamente si attraggono a vicenda a grandi separazioni mentre le particelle caricate positivamente si respingono, mentre è vero il contrario per i solventi come gli alcoli. Questi risultati sono sorprendenti perché sembrano contraddire il principio elettromagnetico centrale secondo cui la forza tra cariche dello stesso segno è repulsiva a tutte le separazioni.
Utilizzando la microscopia in campo chiaro, il team ha monitorato le microparticelle di silice caricate negativamente sospese in acqua e ha scoperto che le particelle si attraevano a vicenda per formare grappoli disposti esagonali. Le particelle di silice amminica caricate positivamente, tuttavia, non formavano cluster nell'acqua.
Utilizzando una teoria delle interazioni interparticellari che considera la struttura del solvente all'interfaccia, il team ha stabilito che per le particelle caricate negativamente nell'acqua esiste una forza attrattiva che supera la repulsione elettrostatica in caso di grandi separazioni, portando alla formazione di cluster. Per le particelle caricate positivamente nell'acqua, questa interazione guidata dal solvente è sempre repulsiva e non si formano cluster.
Si è scoperto che questo effetto dipende dal pH; il team è stato in grado di controllare la formazione (o meno) di cluster per particelle caricate negativamente variando il pH. Indipendentemente dal pH, le particelle caricate positivamente non formano cluster.
Naturalmente, il team si è chiesto se l'effetto sulle particelle cariche potesse essere invertito, in modo tale che le particelle cariche positivamente formassero cluster e quelle negative no. Sostituendo il solvente con alcoli, come l'etanolo, che ha un comportamento all'interfaccia diverso rispetto all'acqua, hanno osservato esattamente questo:le particelle di silice aminata caricate positivamente formavano cluster esagonali, mentre la silice caricata negativamente no.
Secondo i ricercatori, questo studio implica una ricalibrazione fondamentale della comprensione che influenzerà il modo in cui pensiamo a processi diversi come la stabilità dei prodotti farmaceutici e della chimica fine o il malfunzionamento patologico associato all'aggregazione molecolare nelle malattie umane. Le nuove scoperte forniscono anche prove della capacità di sondare le proprietà del potenziale elettrico interfacciale dovuto al solvente, come il suo segno e la sua grandezza, che in precedenza erano ritenuti incommensurabili.
Il professor Madhavi Krishnan (Dipartimento di Chimica, Università di Oxford), che ha condotto lo studio, afferma:"Sono davvero molto orgoglioso dei miei due studenti laureati, così come degli studenti universitari, che hanno lavorato tutti insieme per spostare l'ago su questa scoperta fondamentale ."
Sida Wang (Dipartimento di Chimica, Università di Oxford), uno dei primi autori dello studio, afferma:"Trovo ancora affascinante vedere queste particelle attrarsi, anche dopo averlo visto migliaia di volte."
Ulteriori informazioni: Una forza a lungo raggio dipendente dalla carica guida l'assemblaggio su misura della materia in una soluzione, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01621-5
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito dall'Università di Oxford
