Los científicos descubren que las partículas con carga similar a veces pueden atraerse – Física Mundial

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract-physics-world-2.jpg" data-caption="“Fuerza de electrosalvación” Las micropartículas de sílice cargadas negativamente suspendidas en agua se atraen entre sí para formar grupos hexagonales. (Cortesía: Zhang Kang)”>

Desde pequeños, en la escuela nos enseñan que las cargas similares, ya sean positivas o negativas, se repelen entre sí, mientras que las cargas opuestas se atraen. Resulta que, bajo ciertas condiciones, cargas similares pueden atraerse entre sí. En un trabajo publicado recientemente en Naturaleza Nanotecnología, investigadores de la Universidad de Oxford han demostrado la atracción de partículas con carga similar en soluciones.

El viaje comenzó para el científico principal. madhavi krishnan A mediados de la década de 2000, cuando se encontró con el “problema de atracción de cargas similares” mientras estudiaba cómo las moléculas de ADN se comprimían en cajas con forma de rendijas. Se esperaba que el ADN se aplanara en una geometría similar a una panqueque, pero en lugar de eso se alineó a lo largo del borde de la caja. Sin que se aplicaran fuerzas externas, la única explicación fue que el ADN fue atraído hacia la caja, a pesar de que ambos estaban cargados negativamente. Así nació el interés por cómo la atracción y la repulsión pueden no ser lo que parecen.

Sin embargo, el problema de las cargas similares no es un conocimiento nuevo. A lo largo de los años, diferentes científicos han tratado de explicar cómo se pueden atraer cargas similares, y algunos de los primeros trabajos provienen de Irving Langmuir de vuelta en la década de 1930.

Una de las áreas donde más se ve la atracción de cargas similares es dentro de los fluidos y en la interacción de la materia sólida con los fluidos. "Encontré el problema al principio de mi trayectoria como científico", dice Krishnan. Mundo de la física. "Teniendo en cuenta que las observaciones implicaron un alejamiento tan fundamental de la comprensión actual de un fenómeno básico y central en la fase fluida, alejarse del problema nunca iba a ser una opción".

La atracción de cargas similares en fluidos se ha observado muchas veces utilizando iones multivalentes, pero se trata de especies iónicas conocidas que están exentas de la teoría DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek): la expectativa de que las moléculas con cargas similares se repelan a largas distancias. cuando las fuerzas de van der Waals son demasiado débiles para influir en las interacciones entre moléculas.

Sin embargo, se ha demostrado que varias moléculas que se espera que sigan las reglas de la teoría DLVO (como ácidos nucleicos, liposomas, polímeros y partículas coloidales en medios acuosos) poseen cierto nivel de atracción cuando están presentes cargas similares.

¿Por qué algunas cargas similares se atraen?

Las teorías actuales sobre la atracción de cargas dentro de los disolventes consideran que el fluido es un continuo, pero pasan por alto algunos de los detalles más finos del disolvente y cómo interactúa con las interfaces sólidas. Sin embargo, nuevas teorías sugieren que el comportamiento del disolvente en una interfaz tiene una influencia significativa en la energía libre de interacción total de dos objetos portadores de carga cuando se acercan entre sí.

El último estudio de Krishnan y sus colegas demostró que el disolvente desempeña un papel imprevisto pero crucial en las interacciones entre partículas y puede romper la simetría de inversión de carga. El equipo también descubrió que el grado de interacciones entre partículas de las que es responsable el disolvente depende en gran medida del pH de la solución.

Los investigadores utilizaron microscopía de campo brillante para examinar una variedad de partículas sólidas, incluida sílice inorgánica, partículas poliméricas y superficies recubiertas de polielectrolitos y polipéptidos, dentro de varios solventes. Descubrieron que en una solución acuosa, las partículas cargadas negativamente se atraían entre sí y formaban grupos, mientras que las partículas cargadas positivamente se repelían. Sin embargo, en los disolventes que tienen un dipolo invertido en una interfaz, como los alcoholes, sucedía lo contrario: las partículas cargadas positivamente se atraían entre sí y las partículas cargadas negativamente se repelían.

"Los hallazgos sugerirían una importante recalibración de los principios básicos que creemos que gobiernan la interacción de moléculas y partículas, y que encontramos en una etapa temprana de nuestra escolarización y educación", dice Krishnan. "El estudio saca a la luz un ajuste necesario de algo que consideramos un 'principio de libro de texto'".

La razón por la que cargas similares se atraen entre sí se atribuye a que el disolvente tiene una gran influencia en las interacciones entre partículas, que pueden ensamblar espontáneamente las partículas con cargas similares en la solución. Esto se debe a que la acción concertada de la carga eléctrica en la interfaz y la estructura de solvatación interfacial local generan una "fuerza de electrosolvatación" entre los grupos funcionales cargados negativamente en la solución, lo que hace que las partículas se atraigan entre sí y se agrupen.

El equipo también descubrió que tanto el signo como la magnitud de la contribución de energía libre pueden tener un impacto en si las partículas forman sistemas autoensamblados (una energía libre negativa impulsará la espontaneidad y el autoensamblaje). Se cree que estas atracciones de carga similar son responsables de procesos biológicos a escala nanométrica, como el plegamiento biomolecular de macromoléculas en el cuerpo.

Cuando se le preguntó sobre el impacto del estudio, Krishnan dice que “la principal frontera abierta es cómo esta interacción afecta a la biología. La biología está cargada de carga. Estas fuerzas son la base sobre la que se desarrollan las interacciones entre las moléculas, influyendo en la forma en que se unen, se empaquetan en espacios pequeños y, en última instancia, llevan a cabo su función”.

"Éstas son las direcciones más interesantes y espero que podamos abordar al menos algunas cuestiones interesantes en el área general", añade Krishnan.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/scientists-discover-that-like-charged-particles-can-sometimes-attract/