Um novo estudo derrubou um princípio fundamental da física ao demonstrar que partículas com cargas semelhantes podem atrair-se umas às outras numa solução, com o efeito variando entre cargas positivas e negativas, dependendo do solvente. Esta descoberta tem implicações significativas para vários processos científicos, incluindo automontagem e cristalização. A pesquisa revela a importância da estrutura do solvente na interface na determinação das interações interpartículas, desafiando crenças de longa data e indicando a necessidade de uma reavaliação da nossa compreensão das forças eletromagnéticas. Crédito: Zhang Kang
“Cargas opostas se atraem; cargas semelhantes se repelem” é um princípio fundamental da física básica. No entanto, um novo estudo da Universidade de Oxford, publicado recentemente na revista Nanotecnologia da Natureza, demonstrou que partículas com carga semelhante em solução podem, de fato, atrair-se umas às outras por longas distâncias.
Igualmente surpreendente, a equipe descobriu que o efeito é diferente para partículas carregadas positiva e negativamente, dependendo do solvente.
Além de derrubar crenças de longa data, esses resultados têm implicações imediatas para uma série de processos que envolvem interações interpartículas e intermoleculares em várias escalas de comprimento, incluindo automontagem, cristalização e separação de fases.
A equipe de pesquisadores, baseada no Departamento de Química de Oxford, descobriu que partículas carregadas negativamente atraem umas às outras em grandes separações, enquanto partículas carregadas positivamente se repelem, enquanto o inverso acontecia com solventes como álcoois.
Estas descobertas são surpreendentes porque parecem contradizer o princípio eletromagnético central de que a força entre cargas do mesmo sinal é repulsiva em todas as separações.
Observações Experimentais
Agora, usando microscopia de campo claro, a equipe rastreou micropartículas de sílica com carga negativa suspensas em água e descobriu que as partículas se atraíam para formar aglomerados dispostos hexagonalmente. Partículas de sílica aminada carregadas positivamente, entretanto, não formaram aglomerados em água.
Usando uma teoria de interações interpartículas que considera a estrutura do solvente na interface, a equipe estabeleceu que para partículas carregadas negativamente na água, existe uma força atrativa que supera a repulsão eletrostática em grandes separações, levando à formação de aglomerados. Para partículas carregadas positivamente na água, esta interação impulsionada pelo solvente é sempre repulsiva e não se formam aglomerados.
Descobriu-se que esse efeito era dependente do pH: a equipe conseguiu controlar a formação (ou não) de aglomerados de partículas carregadas negativamente variando o pH. Não importa o pH, as partículas carregadas positivamente não formaram aglomerados.
Efeitos Específicos do Solvente e Outras Descobertas
Naturalmente, a equipe questionou-se se o efeito sobre as partículas carregadas poderia ser alterado, de modo que as partículas carregadas positivamente formassem aglomerados e as negativas não. Ao mudar o solvente para álcoois, como o etanol, que tem um comportamento de interface diferente da água, foi exatamente isso que eles observaram: partículas de sílica aminada com carga positiva formaram aglomerados hexagonais, enquanto a sílica com carga negativa não o fez.
Segundo os investigadores, este estudo implica uma recalibração fundamental na compreensão que irá influenciar a forma como pensamos processos tão diferentes como a estabilidade de produtos farmacêuticos e de química fina ou o mau funcionamento patológico associado à agregação molecular nas doenças humanas. As novas descobertas também fornecem evidências da capacidade de sondar propriedades do potencial elétrico interfacial devido ao solvente, como seu sinal e magnitude, que antes eram considerados imensuráveis.
O professor Madhavi Krishnan (Departamento de Química da Universidade de Oxford), que liderou o estudo, diz: “Estou realmente muito orgulhoso dos meus dois alunos de pós-graduação, bem como dos alunos de graduação, que trabalharam juntos para avançar nesta descoberta fundamental. .”
Sida Wang (Departamento de Química da Universidade de Oxford), uma das primeiras autoras do estudo, afirma: “Ainda acho fascinante ver estas partículas atraírem-se, mesmo tendo visto isto milhares de vezes.”
Referência: “Uma força de longo alcance dependente de carga impulsiona a montagem personalizada de matéria em solução” por Sida Wang, Rowan Walker-Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn e Madhavi Krishnan, 30 de fevereiro de 2024, Nanotecnologia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41565-024-01621-5
