Les contraires s'attirent, les goûts se repoussent ? Les scientifiques renversent les principes fondamentaux de la physique

« Les charges opposées s’attirent ; « Les charges semblables se repoussent » est un principe fondamental de la physique fondamentale. Cependant, une nouvelle étude de l'Université d'Oxford, récemment publiée dans la revue nanotechnologie naturelle, Il a démontré que des particules chargées de manière similaire en solution peuvent s’attirer les unes les autres sur de longues distances.

De manière également surprenante, l’équipe a découvert que l’effet diffère pour les particules chargées positivement et négativement, en fonction du solvant.

En plus de bouleverser des croyances de longue date, ces résultats ont des implications immédiates sur une série de processus impliquant des interactions intermoléculaires et intermoléculaires à différentes échelles de longueur, notamment l'auto-assemblage, la cristallisation et la séparation de phases.

L'équipe de chercheurs, basée au Département de chimie de l'Université d'Oxford, a découvert que les particules chargées négativement s'attirent sur de grandes distances, tandis que les particules chargées positivement se repoussent, tandis que l'inverse était le cas pour les solvants tels que l'alcool.

Ces résultats sont surprenants car ils semblent contredire le principe électromagnétique central, selon lequel la force entre charges de même signe est répulsive à toutes les séparations.

Observations expérimentales

Aujourd’hui, grâce à la microscopie à fond clair, l’équipe a suivi de minuscules particules de silice chargées négativement en suspension dans l’eau et a découvert que les particules s’attirent les unes les autres pour former des amas hexagonaux ordonnés. Cependant, les molécules d’amino-silice chargées positivement ne formaient pas d’amas dans l’eau.

En utilisant la théorie des interactions entre particules qui prend en compte la structure du solvant à l'interface, l'équipe a démontré que pour les particules chargées négativement dans l'eau, il existe une force d'attraction qui dépasse la répulsion électrostatique à de grandes distances de séparation, conduisant à la formation de des touffes. Pour les particules chargées positivement dans l’eau, cette réaction provoquée par le solvant est toujours répulsive et aucun agrégat ne se forme.

Cet effet s'est avéré dépendre du pH : l'équipe a pu contrôler la formation (ou la non-formation) d'amas de particules chargées négativement en modifiant le pH. Quel que soit le pH, les molécules chargées positivement ne forment pas d’amas.

Effets spéciaux des solvants et découvertes supplémentaires

Naturellement, l’équipe s’est demandée s’il serait possible de modifier l’effet sur les particules chargées, de telle sorte que les particules chargées positivement forment des amas alors que les particules chargées négativement ne le font pas. En remplaçant le solvant par des alcools, tels que l'éthanol, qui ont un comportement d'interface différent de celui de l'eau, c'est exactement ce qu'ils ont observé : les molécules d'amino-silice chargées positivement formaient des groupes hexagonaux, contrairement à la silice chargée négativement.

Selon les chercheurs, cette étude implique un recalibrage fondamental de la compréhension qui aura un impact sur notre façon de penser à divers processus tels que la stabilité des produits pharmaceutiques et de chimie fine ou le dysfonctionnement pathologique associé à l’agrégation moléculaire dans les maladies humaines. Les nouveaux résultats fournissent également la preuve de la capacité à explorer les propriétés du potentiel électrique interfacial généré par le solvant, telles que son signe et sa taille, que l'on pensait auparavant non mesurables.

« Je suis vraiment très fier de mes étudiants diplômés, ainsi que des étudiants de premier cycle, qui ont tous travaillé ensemble pour faire avancer cette découverte fondamentale », a déclaré le professeur Madhavi Krishnan (Département de chimie, Université d'Oxford), qui a dirigé le étude.

« Je trouve toujours fascinant de voir ces particules s'attirer les unes les autres, même après l'avoir vu mille fois », déclare Sida Wang (Département de chimie, Université d'Oxford), premier auteur de l'étude.

Référence : « Une force dépendante de la charge à longue portée entraîne un assemblage ad hoc de matière en solution » par Syda Wang, Rowan Walker Gibbons, Bethany Watkins, Melissa Flynn et Madhavi Krishnan, 30 février 2024, Nanotechnologie naturelle.
est ce que je: 10.1038/s41565-024-01621-5