Os opostos se atraem, os gostos se repelem? Cientistas derrubam o princípio básico da física

Um novo estudo derrubou um princípio fundamental da física ao mostrar que partículas com cargas semelhantes podem atrair-se umas às outras em solução, com o efeito variando entre cargas positivas e negativas, dependendo do solvente. Esta descoberta tem implicações importantes para vários processos científicos, incluindo automontagem e cristalização. A pesquisa revela a importância da estrutura do solvente na interface na determinação das interações entre partículas, desafiando crenças de longa data e apontando para a necessidade de reavaliar a nossa compreensão das forças eletromagnéticas. Crédito: Zhang Kang

“Cargas opostas se atraem; “Cargas semelhantes se repelem” é um princípio fundamental da física fundamental. No entanto, um novo estudo da Universidade de Oxford, publicado recentemente na revista nanotecnologia da natureza, Ele demonstrou que partículas com cargas semelhantes em solução podem realmente atrair umas às outras por longas distâncias.

Também surpreendentemente, a equipe descobriu que o efeito difere 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 intermoleculares e intermoleculares em diferentes escalas de comprimento, incluindo automontagem, cristalização e separação de fases.

A equipe de pesquisadores, baseada no Departamento de Química da Universidade de Oxford, descobriu que partículas carregadas negativamente se atraem a grandes distâncias, enquanto partículas carregadas positivamente se repelem, enquanto o oposto acontecia com solventes como o álcool.

Estes resultados são surpreendentes porque parecem contradizer o princípio eletromagnético central, que afirma 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 minúsculas partículas de sílica com carga negativa suspensas na água e descobriu que as partículas se atraem para formar aglomerados hexagonais ordenados. No entanto, as moléculas de amino-sílica carregadas positivamente não formaram aglomerados na água.

Usando a teoria das interações entre partículas que leva em conta a estrutura do solvente na interface, a equipe demonstrou que para partículas carregadas negativamente na água, existe uma força atrativa que supera a repulsão eletrostática em grandes distâncias de separação, levando à formação de aglomerados. Para partículas carregadas positivamente na água, esta reação impulsionada pelo solvente é sempre repulsiva e não se formam agregados.

Descobriu-se que esse efeito depende do pH: a equipe conseguiu controlar a formação (ou não formação) de aglomerados de partículas carregadas negativamente alterando o pH. Independentemente do pH, as moléculas carregadas positivamente não formam aglomerados.

Efeitos especiais de solventes e descobertas adicionais

Naturalmente, a equipe se perguntou se seria possível mudar o efeito nas partículas carregadas, de modo que as partículas carregadas positivamente formassem aglomerados, enquanto as partículas carregadas negativamente não. Ao mudar o solvente para álcoois, como o etanol, que têm um comportamento de interface diferente da água, foi exatamente isso que observaram: as moléculas de amino-sílica com carga positiva formaram grupos hexagonais, enquanto a sílica com carga negativa não.

Segundo os investigadores, este estudo envolve uma recalibração fundamental na compreensão que terá impacto na forma como pensamos sobre vários processos, como a estabilidade de produtos farmacêuticos e de química fina ou a disfunção patológica associada à agregação molecular em doenças humanas. Os novos resultados também fornecem evidências da capacidade de explorar propriedades do potencial elétrico interfacial gerado pelo solvente, como seu sinal e tamanho, que antes eram considerados imensuráveis.

“Estou realmente muito orgulhoso dos meus alunos de pós-graduação, bem como dos alunos de graduação, que trabalharam juntos para avançar nesta descoberta fundamental”, disse o professor Madhavi Krishnan (Departamento de Química da Universidade de Oxford), que liderou o estudar.

“Ainda acho fascinante ver essas partículas se atraindo, mesmo depois de já ter visto isso milhares de vezes”, diz Sida Wang (Departamento de Química da Universidade de Oxford), primeira autora do estudo.

Referência: “Uma força dependente de carga de longo alcance impulsiona a montagem ad hoc de matéria em solução” por Syda 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