Cientistas descobrem que partículas com carga semelhante às vezes podem atrair – 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="“Força de eletrosolvação” Micropartículas de sílica com carga negativa suspensas em água atraem-se para formar aglomerados hexagonais. (Cortesia: Zhang Kang)”>

Desde tenra idade, somos ensinados na escola que cargas semelhantes – sejam elas positivas ou negativas – se repelem, enquanto cargas opostas se atraem. Acontece que, sob certas condições, cargas semelhantes podem, na verdade, atrair-se umas às outras. Em trabalho recentemente publicado em Nature Nanotechnology, pesquisadores da Universidade de Oxford demonstraram a atração de partículas com carga semelhante em soluções.

A jornada começou para o cientista-chefe Madhavi Krishnan em meados dos anos 2000, quando ela se deparou com o “problema de atração de carga semelhante” enquanto estudava como as moléculas de DNA se comprimiam em caixas semelhantes a fendas. Esperava-se que o ADN se achatasse numa geometria semelhante a uma panqueca, mas em vez disso alinhou-se ao longo da borda da caixa. Sem a aplicação de nenhuma força externa, a única explicação foi que o DNA foi atraído para a caixa, apesar de ambos terem carga negativa. Assim nasceu o interesse em como a atração e a repulsão podem não ser o que parecem.

O problema da carga semelhante não é um conhecimento novo. Diferentes cientistas ao longo dos anos tentaram explicar como cargas semelhantes podem atrair, com alguns dos primeiros trabalhos vindos de irving langmuir na década de 1930.

Uma das áreas onde a atração de cargas semelhantes é mais observada é nos fluidos e na interação da matéria sólida com os fluidos. “Encontrei o problema no início de minha trajetória como cientista”, conta Krishnan Mundo da física. “Considerando que as observações implicaram um afastamento tão fundamental da compreensão atual de um fenômeno básico e central na fase fluida, afastar-se do problema nunca seria uma opção.”

A atração de cargas semelhantes em fluidos foi observada muitas vezes usando íons multivalentes, mas estas são espécies iônicas conhecidas que estão isentas da teoria DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) - a expectativa de que moléculas com cargas semelhantes se repelirão em longas distâncias. quando as forças de van der Waals são muito fracas para influenciar as interações entre as moléculas.

No entanto, uma série de moléculas que se espera que sigam as regras da teoria DLVO – tais como ácidos nucleicos, lipossomas, polímeros e partículas coloidais em meios aquosos – demonstraram possuir algum nível de atração quando cargas semelhantes estão presentes.

Por que algumas cobranças semelhantes atraem?

As teorias atuais de atração de carga dentro dos solventes consideram o fluido como um continuum, mas ignoram alguns dos detalhes mais sutis do solvente e como ele interage com as interfaces sólidas. No entanto, novas teorias sugerem que o comportamento do solvente numa interface tem uma influência significativa na energia livre de interação total de dois objetos portadores de carga quando eles se aproximam.

O último estudo de Krishnan e colegas mostrou que o solvente desempenha um papel imprevisto, mas crucial, nas interações interpartículas e pode quebrar a simetria de reversão de carga. A equipe também descobriu que o grau de interações interpartículas pelas quais o solvente é responsável depende fortemente do pH da solução.

Os pesquisadores usaram microscopia de campo claro para examinar uma variedade de partículas sólidas, incluindo sílica inorgânica, partículas poliméricas e superfícies revestidas com polieletrólitos e polipeptídeos, dentro de vários solventes. Eles descobriram que, em uma solução aquosa, as partículas carregadas negativamente atraíam-se e formavam aglomerados, enquanto as partículas carregadas positivamente se repeliam. No entanto, em solventes que têm um dipolo invertido numa interface – como os álcoois – o oposto era verdadeiro: partículas carregadas positivamente atraíam-se umas às outras e partículas carregadas negativamente repeliam-se.

“As descobertas sugeririam uma grande recalibração dos princípios básicos que acreditamos governar a interação de moléculas e partículas, e que encontramos numa fase inicial da nossa escolaridade e educação”, diz Krishnan. “O estudo traz à luz um ajuste necessário em algo que consideramos um ‘princípio de livro didático’.”

A razão para as cargas semelhantes se atraírem é atribuída ao solvente ter uma grande influência nas interações interpartículas, que pode reunir espontaneamente as partículas com cargas semelhantes na solução. Isso ocorre porque a ação concertada da carga elétrica na interface e a estrutura de solvatação interfacial local geram uma “força de eletrosolvatação” entre os grupos funcionais carregados negativamente na solução, fazendo com que as partículas se atraiam e se agrupem.

A equipe também descobriu que tanto o sinal quanto a magnitude da contribuição de energia livre podem ter um impacto sobre se as partículas formam sistemas automontados (uma energia livre negativa impulsionará a espontaneidade e a automontagem). Acredita-se que essas atrações de carga semelhante sejam responsáveis ​​por processos biológicos em escala nanométrica, como o dobramento biomolecular de macromoléculas no corpo.

Quando questionado sobre o impacto do estudo, Krishnan diz que “a principal fronteira aberta é como esta interação afeta a biologia. A biologia está carregada de carga. Estas forças são a base sobre a qual se desenvolvem as interações entre as moléculas, influenciando a forma como se juntam, são empacotadas em pequenos espaços e, em última análise, desempenham a sua função.”

“Essas são as direções mais interessantes e espero que possamos abordar pelo menos algumas questões interessantes na área geral”, acrescenta Krishnan.

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