El estudio encontró que las micropartículas de sílice cargadas negativamente suspendidas en agua se atraían entre sí para formar grupos dispuestos hexagonalmente. Crédito de la imagen: PxHere
Un estudio reciente de la Universidad de Oxford, ha revelado que partículas con una carga parecida en una solución pueden atraerse entre sí a largas distancias.
Un principio fundamental de la física básica es que «las cargas opuestas se atraen; las cargas iguales se repelen». Sin embargo, un estudio reciente de la Universidad de Oxford, publicado hoy en Nature Nanotechnology, ha revelado que partículas con una carga parecida en una solución pueden atraerse entre sí a largas distancias. El equipo también descubrió de manera sorprendente que el efecto varía para partículas cargadas positiva y negativamente dependiendo del disolvente.
Estos hallazgos tienen consecuencias inmediatas para una serie de procesos que involucran interacciones entre partículas e intermoleculares en varias escalas de longitud, como el autoensamblaje, la cristalización y la separación de fases, además de revertir creencias arraigadas.
El equipo de investigadores del Departamento de Química de Oxford descubrió que, en separaciones grandes, las partículas cargadas negativamente se atraen entre sí, mientras que las partículas cargadas positivamente se repelen. Sin embargo, con disolventes como los alcoholes, ocurre lo contrario. Estos descubrimientos son asombrosos porque parecen contradecir el principio central electromagnético de que la fuerza entre cargas del mismo signo es repulsiva en todas las separaciones.
El equipo utilizó microscopía de campo brillante para monitorear las micropartículas de sílice cargadas negativamente suspendidas en agua. Se encontró que las partículas se atraían entre sí para formar grupos dispuestos hexagonales. Pero las partículas de sílice aminada cargadas positivamente no formaron grupos en agua.
El equipo descubrió que para las partículas cargadas negativamente en el agua existe una fuerza de atracción que supera la repulsión electrostática en grandes separaciones, lo que conduce a la formación de grupos, utilizando una teoría de interacciones entre partículas que tiene en cuenta la estructura del disolvente en la interfaz. Esta interacción impulsada por el disolvente es siempre repulsiva y no se forman grupos para las partículas cargadas positivamente en el agua.
Se descubrió que este efecto dependía del pH; el equipo pudo controlar la formación (o no) de grupos de partículas cargadas negativamente alterando el pH. Las partículas cargadas positivamente no formaron grupos independientemente del pH.
El equipo naturalmente se preguntó si el efecto sobre las partículas cargadas podría cambiar, de modo que las partículas cargadas positivas formaran grupos y las partículas cargadas negativas no. Al cambiar el disolvente por alcoholes, como el etanol, que tienen un comportamiento de interfaz diferente al del agua, descubrieron que las partículas de sílice aminada cargadas positivamente formaban grupos hexagonales en lugar de las partículas de sílice aminada cargadas negativamente.
El equipo naturalmente se preguntó si el efecto sobre las partículas cargadas podría cambiar, de modo que las partículas cargadas positivas formaran grupos y las partículas cargadas negativas no. Al cambiar el disolvente por alcoholes, como el etanol, que tienen un comportamiento de interfaz diferente al del agua, descubrieron que las partículas de sílice aminada cargadas positivamente formaban grupos hexagonales en lugar de las partículas de sílice aminada cargadas negativamente.
Según los investigadores, este estudio implica una recalibración fundamental en la comprensión que influirá en cómo pensamos sobre procesos tan diversos como la estabilidad de los productos farmacéuticos y de química fina o el mal funcionamiento patológico relacionado con la agregación molecular en las enfermedades humanas. Los nuevos descubrimientos también demuestran la capacidad de investigar las propiedades del potencial eléctrico interfacial debido al solvente, como su signo y magnitud, que antes se pensaban inconmensurables.
El director del estudio, el profesor Madhavi Krishnan del Departamento de Química de la Universidad de Oxford, expresó: «Estoy muy orgulloso de mis dos estudiantes de posgrado y de los estudiantes universitarios que han trabajado juntos para impulsar este descubrimiento fundamental».
Sida Wang, quien fue la primera en escribir el estudio en el Departamento de Química de la Universidad de Oxford, expresa: «A pesar de haberlo visto miles de veces, sigue siendo fascinante ver cómo se atraen estas partículas».
REFERENCIAS
A charge-dependent long-ranged force drives tailored assembly of matter in solution, Nature Nanotechnology: https://www.nature.com/articles/s41565-024-01621-5
