Les scientifiques découvrent que des particules chargées de la même manière peuvent parfois s’attirer – Physics World

<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="« Force d’électrosolvatation » Les microparticules de silice chargées négativement en suspension dans l’eau s’attirent les unes les autres pour former des amas hexagonaux. (Avec l'aimable autorisation de Zhang Kang) »>

Dès notre plus jeune âge, on nous enseigne à l’école que des charges similaires – qu’elles soient positives ou négatives – se repoussent, tandis que des charges opposées s’attirent. Il s’avère que dans certaines conditions, des charges similaires peuvent en réalité s’attirer les unes les autres. Dans un ouvrage récemment publié dans Natural Nanotechnology, des chercheurs de l'Université d'Oxford ont démontré l'attraction de particules chargées de la même manière dans les solutions.

Le voyage a commencé pour le scientifique principal Madhavi Krishnan au milieu des années 2000, lorsqu’elle a découvert le «problème d'attraction de charges similaires" tout en étudiant comment les molécules d'ADN se sont enfoncées dans des boîtes en forme de fentes. On s’attendait à ce que l’ADN s’aplatisse pour former une géométrie semblable à une crêpe, mais il s’aligne plutôt le long du bord de la boîte. Sans qu’aucune force externe ne soit appliquée, la seule explication était que l’ADN était attiré vers la boîte, bien qu’ils soient tous deux chargés négativement. Ainsi est né un intérêt pour la façon dont l’attraction et la répulsion peuvent ne pas être ce qu’elles semblent être.

Le problème des charges similaires n’est cependant pas une nouvelle connaissance. Au fil des ans, différents scientifiques ont tenté d'expliquer comment des charges similaires peuvent s'attirer, certains des premiers travaux provenant de Irving Langmuir dans les années 1930.

L’un des domaines où l’attraction de charges similaires est le plus visible est celui des fluides et de l’interaction de la matière solide avec les fluides. «J'ai rencontré le problème au début de mon parcours de scientifique», raconte Krishnan. Monde de la physique. "Considérant que les observations impliquaient un écart si fondamental par rapport à la compréhension actuelle d'un phénomène fondamental et central dans la phase fluide, se détourner du problème n'allait jamais être une option."

L'attraction de charges similaires dans les fluides a été observée à plusieurs reprises en utilisant des ions multivalents, mais ce sont des espèces ioniques connues qui sont exemptées de la théorie DLVO (Derjaguin – Landau – Verwey – Overbeek) – l'attente selon laquelle les molécules chargées de la même manière se repousseront à longue distance. lorsque les forces de Van der Waals sont trop faibles pour influencer les interactions entre molécules.

Cependant, un certain nombre de molécules censées suivre les règles de la théorie DLVO – telles que les acides nucléiques, les liposomes, les polymères et les particules colloïdales en milieu aqueux – se sont révélées posséder un certain niveau d’attraction lorsque des charges similaires sont présentes.

Pourquoi certaines charges similaires attirent-elles ?

Les théories actuelles de l'attraction de charges au sein des solvants considèrent le fluide comme un continuum mais négligent certains des détails les plus fins du solvant et la manière dont il interagit avec les interfaces solides. Cependant, de nouvelles théories suggèrent que le comportement du solvant à une interface a une influence significative sur l’énergie libre totale d’interaction de deux objets porteurs de charges lorsqu’ils se rapprochent.

La dernière étude de Krishnan et ses collègues a montré que le solvant joue un rôle imprévu mais crucial dans les interactions interparticulaires et peut briser la symétrie d'inversion de charge. L’équipe a également constaté que le degré d’interactions interparticulaires dont le solvant est responsable dépend fortement du pH de la solution.

Les chercheurs ont utilisé la microscopie à fond clair pour examiner une gamme de particules solides, notamment la silice inorganique, les particules polymères et les surfaces recouvertes de polyélectrolytes et de polypeptides, dans divers solvants. Ils ont découvert que dans une solution aqueuse, les particules chargées négativement s’attiraient les unes les autres et formaient des amas, tandis que les particules chargées positivement se repoussaient. Cependant, dans les solvants qui ont un dipôle inversé à une interface – comme les alcools – l’inverse était vrai : les particules chargées positivement s’attiraient et les particules chargées négativement se repoussaient.

"Les résultats suggèrent un recalibrage majeur des principes de base qui, selon nous, régissent l'interaction des molécules et des particules, et que nous rencontrons à un stade précoce de notre scolarité et de notre éducation", explique Krishnan. "L'étude met en lumière un ajustement nécessaire à ce que nous considérons comme un 'principe de manuel'."

La raison pour laquelle les charges similaires s'attirent est attribuée au fait que le solvant a une grande influence sur les interactions interparticulaires, qui peuvent spontanément assembler les particules chargées de la même manière dans la solution. En effet, l’action concertée de la charge électrique à l’interface et la structure de solvatation interfaciale locale génèrent une « force d’électrosolvatation » entre les groupes fonctionnels chargés négativement dans la solution, provoquant l’attraction et le regroupement des particules.

L’équipe a également découvert que le signe et l’ampleur de la contribution d’énergie libre peuvent avoir un impact sur la formation de systèmes auto-assemblés par les particules (une énergie libre négative entraînera la spontanéité et l’auto-assemblage). On pense que ces attractions de charges similaires sont responsables de processus biologiques à l’échelle nanométrique, tels que le repliement biomoléculaire des macromolécules dans le corps.

Interrogé sur l’impact de l’étude, Krishnan répond que « la principale frontière ouverte est la manière dont cette interaction affecte la biologie. La biologie est chargée de charges. Ces forces constituent le fondement sur lequel se déroulent les interactions entre les molécules, influençant la manière dont elles se rassemblent, sont regroupées dans de petits espaces et remplissent finalement leur fonction.

"Ce sont les directions les plus passionnantes, et j'espère que nous pourrons aborder au moins quelques questions intéressantes dans le domaine général", ajoute Krishnan.

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