Gli opposti si attraggono, i simili si respingono? Gli scienziati ribaltano il principio base della fisica

Un nuovo studio ha ribaltato un principio fondamentale della fisica dimostrando che particelle con carica simile possono attrarsi a vicenda in soluzione, con l’effetto che varia tra cariche positive e negative a seconda del solvente. Questa scoperta ha importanti implicazioni per vari processi scientifici, tra cui l’autoassemblaggio e la cristallizzazione. La ricerca rivela l’importanza della struttura del solvente all’interfaccia nel determinare le interazioni tra le particelle, sfidando credenze di lunga data e indicando la necessità di rivalutare la nostra comprensione delle forze elettromagnetiche. Credito: Zhang Kang

“Le cariche opposte si attraggono; “Cariche simili si respingono a vicenda” è un principio fondamentale della fisica fondamentale. Tuttavia, un nuovo studio dell'Università di Oxford, recentemente pubblicato sulla rivista nanotecnologie naturali, Ha dimostrato che particelle con carica simile in soluzione possono effettivamente attrarsi a vicenda su lunghe distanze.

Inoltre, sorprendentemente, il team ha scoperto che l'effetto differisce 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 intermolecolari e intermolecolari su diverse scale di lunghezza, tra cui l’autoassemblaggio, la cristallizzazione e la separazione di fase.

Il team di ricercatori del Dipartimento di Chimica dell'Università di Oxford ha scoperto che le particelle cariche negativamente si attraggono a grandi distanze, mentre le particelle cariche positivamente si respingono, mentre per i solventi come l'alcol avviene il contrario.

Questi risultati sono sorprendenti perché sembrano contraddire il principio elettromagnetico centrale, il quale afferma che la forza tra cariche dello stesso segno è repulsiva a tutte le separazioni.

Osservazioni sperimentali

Ora, utilizzando la microscopia a campo chiaro, il team ha monitorato minuscole particelle di silice caricate negativamente sospese nell’acqua e ha scoperto che le particelle si attraggono a vicenda per formare ammassi ordinati ed esagonali. Tuttavia, le molecole di ammino-silice caricate positivamente non formavano cluster nell'acqua.

Utilizzando la teoria delle interazioni delle particelle che tiene conto della struttura del solvente all'interfaccia, il team ha dimostrato che per le particelle caricate negativamente nell'acqua esiste una forza attrattiva che supera la repulsione elettrostatica a grandi distanze di separazione, portando alla formazione di grumi. Per le particelle caricate positivamente nell'acqua, questa reazione guidata dal solvente è sempre repulsiva e non si formano aggregati.

Si è scoperto che questo effetto dipende dal pH: il team è stato in grado di controllare la formazione (o la non formazione) di grappoli di particelle caricate negativamente modificando il pH. Indipendentemente dal pH, le molecole caricate positivamente non formano cluster.

Effetti speciali dei solventi e ulteriori scoperte

Naturalmente, il team si è chiesto se sarebbe possibile cambiare l'effetto sulle particelle cariche, in modo tale che le particelle caricate positivamente formino cluster mentre le particelle caricate negativamente no. Sostituendo il solvente con alcoli, come l'etanolo, che hanno un comportamento di interfaccia diverso dall'acqua, questo è esattamente ciò che hanno osservato: le molecole di ammino-silice caricate positivamente formavano gruppi esagonali, mentre la silice caricata negativamente no.

Secondo i ricercatori, questo studio comporta una ricalibrazione fondamentale della comprensione che avrà un impatto sul modo in cui pensiamo a vari processi come la stabilità dei prodotti farmaceutici e della chimica fine o la disfunzione patologica associata all'aggregazione molecolare nelle malattie umane. I nuovi risultati forniscono anche la prova della capacità di esplorare proprietà del potenziale elettrico interfacciale generato dal solvente, come il segno e le dimensioni, che in precedenza si riteneva non misurabili.

“Sono davvero molto orgoglioso dei miei studenti laureati, così come degli studenti universitari, che hanno lavorato tutti insieme per spostare l'ago verso questa scoperta fondamentale”, afferma il professor Madhavi Krishnan (Dipartimento di Chimica, Università di Oxford), che ha guidato il progetto studio.

“Trovo ancora affascinante vedere queste particelle attrarsi, anche dopo averlo visto migliaia di volte”, afferma Sida Wang (Dipartimento di Chimica, Università di Oxford), primo autore dello studio.

Riferimento: “Una forza dipendente dalla carica a lungo raggio guida l’assemblaggio ad hoc della materia in soluzione” di Syda Wang, Rowan Walker Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn e Madhavi Krishnan, 30 febbraio 2024, Nanotecnologie naturali.
doi: 10.1038/s41565-024-01621-5