Gli scienziati scoprono che le particelle con la stessa carica a volte possono attrarsi – Physics World

Gli scienziati scoprono che le particelle con la stessa carica a volte possono attrarsi – Physics World

Timestamp: 22 marzo 2024 6:10

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Le particelle cariche negativamente nell'acqua si attraggono per formare grappoli esagonali
“Forza di elettrosolvatazione” Le microparticelle di silice caricate negativamente sospese nell'acqua si attraggono a vicenda per formare grappoli esagonali. (Per gentile concessione: Zhang Kang)

Fin da piccoli, a scuola ci viene insegnato che cariche simili – siano esse positive o entrambe negative – si respingono a vicenda, mentre le cariche opposte si attraggono. Si scopre che in determinate condizioni, cariche simili possono effettivamente attrarsi a vicenda. Nel lavoro recentemente pubblicato in Natura Nanotecnologia, i ricercatori dell'Università di Oxford hanno dimostrato l'attrazione di particelle con carica simile nelle soluzioni.

Il viaggio è iniziato per lo scienziato capo Madhavi Krishnan a metà degli anni 2000, quando si imbatté nel “problema di attrazione di cariche simili"mentre studiavo come le molecole di DNA si comprimevano in scatole a forma di fessura. Ci si aspettava che il DNA si appiattisse in una geometria simile a una frittella, ma invece si è allineato lungo il bordo della scatola. Senza l’applicazione di forze esterne, l’unica spiegazione era che il DNA fosse attratto dalla scatola, nonostante entrambi fossero caricati negativamente. Così è nato l’interesse per come l’attrazione e la repulsione potrebbero non essere come sembrano.

Tuttavia, il problema della carica simile non è una conoscenza nuova. Diversi scienziati nel corso degli anni hanno cercato di spiegare come le cariche simili possano attrarsi, da cui provengono alcuni dei primi lavori irving langmuir negli anni Quaranta.

Una delle aree in cui si osserva maggiormente l’attrazione di cariche simili è all’interno dei fluidi e nell’interazione della materia solida con i fluidi. “Ho incontrato il problema all’inizio del mio percorso di scienziato”, racconta Krishnan Mondo della fisica. “Considerando che le osservazioni comportavano un allontanamento così fondamentale dall’attuale comprensione di un fenomeno fondamentale e centrale nella fase fluida, voltare le spalle al problema non sarebbe mai stata un’opzione”.

L'attrazione di cariche simili nei fluidi è stata osservata molte volte utilizzando ioni multivalenti, ma si tratta di specie ioniche note che sono esenti dalla teoria DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) - l'aspettativa che le molecole con carica simile si respingano a lunghe distanze quando le forze di van der Waals sono troppo deboli per influenzare le interazioni tra le molecole.

Tuttavia, un certo numero di molecole che dovrebbero seguire le regole della teoria DLVO – come acidi nucleici, liposomi, polimeri e particelle colloidali in mezzi acquosi – hanno dimostrato di possedere un certo livello di attrazione quando sono presenti cariche simili.

Perché alcune cariche simili si attraggono?

Le attuali teorie sull'attrazione della carica all'interno dei solventi considerano il fluido un continuum, ma trascurano alcuni dei dettagli più fini del solvente e il modo in cui interagisce con le interfacce solide. Tuttavia, nuove teorie suggeriscono che il comportamento del solvente su un'interfaccia ha un'influenza significativa sull'energia libera totale dell'interazione di due oggetti portatori di carica quando si avvicinano l'uno all'altro.

L’ultimo studio di Krishnan e colleghi ha dimostrato che il solvente svolge un ruolo imprevisto ma cruciale nelle interazioni interparticellari e può rompere la simmetria dell’inversione di carica. Il team ha inoltre scoperto che il grado di interazioni interparticellari di cui è responsabile il solvente dipende fortemente dal pH della soluzione.

I ricercatori hanno utilizzato la microscopia in campo chiaro per esaminare una serie di particelle solide, tra cui silice inorganica, particelle polimeriche e superfici rivestite di polielettroliti e polipeptidi, all'interno di vari solventi. Hanno scoperto che in una soluzione acquosa, le particelle cariche negativamente si attraevano tra loro e formavano grappoli, mentre le particelle cariche positivamente si respingevano. Tuttavia, nei solventi che hanno un dipolo invertito all’interfaccia – come gli alcoli – era vero il contrario: le particelle caricate positivamente si attraevano a vicenda e le particelle cariche negativamente si respingevano.

"I risultati suggerirebbero un'importante ricalibrazione dei principi di base che riteniamo governino l'interazione di molecole e particelle e che incontriamo nelle fasi iniziali della nostra istruzione e della nostra istruzione", afferma Krishnan. "Lo studio porta alla luce un adeguamento necessario di qualcosa che consideriamo un 'principio da manuale'."

Il motivo per cui le cariche simili si attraggono è attribuito al solvente che ha una grande influenza sulle interazioni interparticellari, che possono assemblare spontaneamente le particelle con carica simile nella soluzione. Questo perché l’azione concertata della carica elettrica all’interfaccia e la struttura di solvatazione interfacciale locale generano una “forza di elettrosolvatazione” tra i gruppi funzionali caricati negativamente nella soluzione, facendo sì che le particelle si attraggano a vicenda e si ammassino.

Il team ha anche scoperto che sia il segno che l’entità del contributo di energia libera possono avere un impatto sulla possibilità che le particelle formino sistemi autoassemblati (un’energia libera negativa guiderà la spontaneità e l’autoassemblaggio). Si ritiene che queste attrazioni di carica simile siano responsabili di processi biologici su scala nanometrica, come il ripiegamento biomolecolare delle macromolecole nel corpo.

Alla domanda sull’impatto dello studio, Krishnan afferma che “la principale frontiera aperta è il modo in cui questa interazione influisce sulla biologia. La biologia è carica di carica. Queste forze sono il fondamento su cui si svolgono le interazioni tra le molecole, influenzando il modo in cui si uniscono, sono racchiuse in piccoli spazi e, infine, svolgono la loro funzione”.

"Queste sono le direzioni più interessanti e spero che saremo in grado di perseguire almeno alcune domande interessanti in ambito generale", aggiunge Krishnan.

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