Reviravolta: Partículas de mesma carga atraem-se à distância

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/03/2024

A descoberta, feita por estudantes de graduação, mereceu a capa da revista onde o artigo foi publicado.
[Imagem: Zhang Kang]

Cargas semelhantes se atraem

Nós aprendemos nas primeiras aulas de ciência que cargas elétricas de mesma carga se repelem, enquanto cargas opostas se atraem.

Mas o mundo real é mais complicado do que isso: Já sabemos, por exemplo, que cargas iguais também se atraem na água e que a Lei de Coulomb pode falhar em nanoescala.

Agora, Sida Wang e colegas da Universidade de Oxford, no Reino Unido, demonstraram que micropartículas com carga semelhante às vezes podem se atrair, em vez de se repelir mutuamente, um efeito que a equipe chamam de "eletrossolvatação".

Mais especificamente, a equipe descobriu que partículas com cargas semelhantes suspensas em líquidos podem atrair umas às outras em uma interação de longo alcance, dependendo do solvente e do sinal da carga - o efeito é diferente para partículas carregadas positiva e negativamente, dependendo do solvente.

A descoberta tem implicações imediatas para processos que envolvem interações em solução em várias escalas de tamanho, incluindo automontagem de partículas, cristalização de materiais e separação de fases.

O sinal da força de longo alcance depende do sinal da carga das partículas em interação.
[Imagem: Sida Wang et al. - 10.1038/s41565-024-01621-5]

Carga, repulsão eletrostática, solvente e pH

Os experimentos mostraram que partículas carregadas negativamente atraem umas às outras mesmo separadas por grandes distâncias, enquanto partículas carregadas positivamente se repelem - e o inverso acontece com solventes como álcoois.

Usando uma técnica especial de microscopia, a equipe rastreou micropartículas de sílica com carga negativa suspensas em água e verificou que as partículas se atraem para formar aglomerados dispostos hexagonalmente - partículas de sílica aminada carregadas positivamente, entretanto, não formaram aglomerados em água.

Isso é surpreendente porque parece contradizer o princípio eletromagnético central, de que a força entre cargas do mesmo sinal é repulsiva em todas as separações.

A equipe foi buscar ajuda em uma teoria de interações interpartículas que considera a estrutura do solvente na interface, e encontrou a seguinte explicação: Para partículas carregadas negativamente na água, existe uma força atrativa que supera a repulsão eletrostática em grandes separações, levando à formação de aglomerados. Para partículas carregadas positivamente na água, esta interação impulsionada pelo solvente é sempre repulsiva e não se formam aglomerados.

Esse efeito inesperado também depende do pH: É possível controlar a formação ou não de aglomerados de partículas carregadas negativamente variando o pH. De novo, não importando o pH, as partículas carregadas positivamente não formaram aglomerados.

A força de solvatação dependente da carga pode impulsionar a formação de condensados biomoleculares.
[Imagem: Sida Wang et al. - 10.1038/s41565-024-01621-5]

Recalibração fundamental

Naturalmente, a equipe se perguntou se o efeito sobre as partículas carregadas poderia ser alterado, de modo que as partículas carregadas positivamente possam ser induzidas a formar aglomerados e as negativas não. Ao mudar o solvente para álcoois, como o etanol, que tem um comportamento de interface diferente da água, foi exatamente isso que aconteceu: Partículas de sílica aminada com carga positiva formaram aglomerados hexagonais, enquanto a sílica com carga negativa não.

Segundo os pesquisadores, esta descoberta implica uma recalibração fundamental na compreensão dos processos envolvendo partículas eletricamente carregadas, uma alteração que irá influenciar o modo como lidamos com processos tão diferentes quanto a estabilidade de produtos farmacêuticos e de química fina ou o mau funcionamento patológico associado à agregação molecular nas doenças humanas.

Os resultados também fornecem indícios da capacidade de sondar propriedades do potencial elétrico interfacial devido ao solvente, como seu sinal e magnitude, que antes eram considerados imensuráveis.

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