Un nuevo estudio ha trastocado un principio fundamental de la física al demostrar que partículas con cargas similares pueden atraerse entre sí en solución, con un efecto que 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 y señalando la necesidad de reevaluar nuestra comprensión de las fuerzas electromagnéticas. Crédito: Zhang Kang

“Las cargas opuestas se atraen; «Cargas similares se repelen entre sí» es un principio fundamental de la física fundamental. 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.

También fue sorprendente que el equipo descubriera que el efecto difiere para las partículas cargadas positiva y negativamente, dependiendo del disolvente.

Además de revertir creencias arraigadas, estos resultados tienen implicaciones inmediatas para una variedad de procesos que involucran interacciones intermoleculares e intermoleculares en diferentes escalas de longitud, incluido el autoensamblaje, la cristalización y la separación de fases.

El equipo de investigadores, del Departamento de Química de la Universidad de Oxford, descubrió que las partículas cargadas negativamente se atraen entre sí a grandes distancias, mientras que las partículas cargadas positivamente se repelen, mientras que con disolventes como el alcohol ocurría lo contrario.

Estos resultados 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 ha rastreado pequeñas partículas de sílice cargadas negativamente suspendidas en agua y ha descubierto que las partículas se atraen entre sí para formar grupos hexagonales ordenados. Sin embargo, las moléculas de aminosílice cargadas positivamente no formaron grupos en el agua.

Utilizando la teoría de las interacciones de partículas que tiene en cuenta la estructura del disolvente en la interfaz, el equipo demostró que, para las partículas cargadas negativamente en el agua, existe una fuerza de atracción que supera la repulsión electrostática a grandes distancias de separación, lo que lleva a la formación de grumos. Para las partículas cargadas positivamente en el agua, esta reacción impulsada por el disolvente es siempre repulsiva y no se forman agregados.

Se descubrió que este efecto dependía del pH: el equipo pudo controlar la formación (o no formación) de grupos de partículas cargadas negativamente cambiando el pH. Independientemente del pH, las moléculas cargadas positivamente no forman grupos.

Efectos específicos de los disolventes y descubrimientos adicionales.

Naturalmente, el equipo se preguntó si sería posible cambiar el efecto sobre las partículas cargadas, de modo que las partículas cargadas positivamente formen grupos mientras que las partículas cargadas negativamente no. Al cambiar el disolvente a alcoholes, como el etanol, que tienen un comportamiento de interfaz diferente al del agua, esto es exactamente lo que observaron: las moléculas de aminosílice cargadas positivamente formaron grupos hexagonales, mientras que las moléculas de sílice cargadas negativamente no.

Según los investigadores, este estudio implica una recalibración fundamental en la comprensión que afectará la forma en que pensamos sobre diversos procesos, como la estabilidad de los productos farmacéuticos y de química fina o la disfunción patológica asociada con la agregación molecular en las enfermedades humanas. Los nuevos resultados también proporcionan evidencia de la capacidad de explorar propiedades del potencial eléctrico interfacial generado por el disolvente, como su signo y tamaño, que antes se pensaba que no se podían medir.

«Estoy realmente muy orgulloso de mis estudiantes de posgrado, así como de los estudiantes universitarios, que han trabajado juntos para avanzar en este descubrimiento fundamental», dice el profesor Madhavi Krishnan (Departamento de Química de la Universidad de Oxford), quien dirigió el estudiar.

«Todavía me resulta fascinante ver cómo estas partículas se atraen entre sí, incluso después de haberlas visto miles de veces», afirma Sida Wang (Departamento de Química de la Universidad de Oxford), primera autora del estudio.

Referencia: “Una fuerza dependiente de carga de largo alcance impulsa el ensamblaje ad hoc de materia en solución” por Syda 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