Cuando se trata de carga eléctrica, hay un tema primordial:los opuestos se atraen, y las cargas iguales se repelen. Pero en un nuevo estudio, Los físicos han hecho el sorprendente descubrimiento de que dos nanopartículas metálicas esféricas con cargas similares y cargas desiguales pueden atraerse entre sí en una solución electrolítica diluida. La razón, en breve, es que la nanopartícula más fuertemente cargada polariza el núcleo metálico de la nanopartícula débilmente cargada, que altera la interacción entre las nanopartículas.

Los investigadores, Alexandre P. dos Santos y Yan Levin en la Universidad Federal de Rio Grande do Sul en Brasil, han publicado un artículo sobre la atracción de cargos similares en un número reciente de Cartas de revisión física .

"Nuestro artículo aclara un comportamiento muy contrario a la intuición que antes se pensaba que era imposible, "Levin dijo Phys.org .

Esta no es la primera vez que los investigadores han observado atracción entre partículas con la misma carga. Ya en 1980, La investigación ha demostrado que las partículas con cargas similares pueden atraerse entre sí cuando se colocan en una solución de electrolitos que contiene contraiones multivalentes. Un contraión multivalente es un ion que puede perder o ganar más de un electrón para asumir una carga como ± 2 o ± 3, y el signo de la carga es opuesto al de otro ion. Por ejemplo, el ion de aluminio Al ³⁺ es un contraión multivalente para el ion cloruro Cl ^- , juntos formando cloruro de aluminio, AlCl ₃ . Cuando los contraiones multivalentes son parte de una solución de electrolitos, sus cargos pueden fluctuar de manera correlacionada, haciendo que las partículas con la misma carga en la solución se atraigan entre sí.

Sin embargo, en la nueva demostración, la solución de electrolitos es 1:1, lo que significa que contiene solo contraiones monovalentes, es decir., iones que tienen solo ± 1 carga. Como las correlaciones electrostáticas entre iones en soluciones 1:1 son insignificantes, En general, se ha asumido que las partículas con la misma carga en estas soluciones siempre se repelen entre sí. En apoyo de esta suposición, En el nuevo estudio, los investigadores demostraron que las losas de metal con cargas similares en una solución de electrolito 1:1 siempre se repelen entre sí.

Hasta ahora, Todos los estudios previos en esta área solo han investigado situaciones en las que las dos partículas con carga similar tienen la misma magnitud de carga. En el nuevo estudio, los investigadores observaron lo que sucede cuando las dos partículas tienen cargas desiguales (aunque siguen teniendo el mismo signo).

Ellos encontraron que cuando dos partículas con cargas desiguales en una solución de electrolito 1:1 se acercan entre sí, la nanopartícula con la carga más fuerte polarizará el núcleo metálico de la nanopartícula con la carga más débil, lo que significa que la mayoría de los electrones en el núcleo se agruparán en un lado del núcleo. Esto hace que la nanopartícula tenga una ligera carga positiva en un lado y una ligera carga negativa en el otro. Las cargas no uniformes inducidas por la polarización en el núcleo de la nanopartícula pueden hacer que las dos nanopartículas cargadas de manera desigual se atraigan entre sí, a pesar de que las nanopartículas tienen el mismo signo de carga general. La observación de que la atracción ocurre solo entre nanopartículas metálicas esféricas cargadas de manera desigual, y no entre losas de metal, indica la importancia de la curvatura y la presencia de un núcleo central para este resultado contradictorio.

Además de ser un interesante descubrimiento teórico, los resultados también podrían ser muy útiles cuando se apliquen a nanopartículas de oro, que se están desarrollando para una variedad de aplicaciones médicas, como el tratamiento del cáncer y la administración de fármacos. Las nanopartículas de oro tienen una fuerte afinidad por algunas superficies biológicas, como membranas de fosfolípidos, que encierran celdas. En el nuevo estudio, Los investigadores demostraron que las nanopartículas de oro cargadas negativamente generalmente son repelidas de las superficies cargadas negativamente de las membranas de fosfolípidos. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, la fuerza entre las nanopartículas de oro y las membranas se vuelve atractiva. Los investigadores planean explorar más estos efectos y sus implicaciones en investigaciones futuras.

"El mecanismo que describimos también podría ser importante para comprender la estabilidad de las suspensiones de partículas biológicas, "Dijo Levin." El método habitual para estabilizar suspensiones de nanopartículas es a través de la repulsión de carga similar, básicamente sintetizando partículas con carga superficial para que se repelan entre sí y no se peguen entre sí. Aquí te mostramos sin embargo, que si la suspensión es suficientemente polidispersa en tamaño y carga, nanopartículas con cargas similares pueden atraerse entre sí, pegándose y precipitando ".

Uno de los desafíos que enfrentaron los investigadores durante su trabajo fue modelar cuantitativamente los nuevos resultados, ya que los métodos convencionales son altamente costosos desde el punto de vista computacional. Para abordar este problema, Los investigadores desarrollaron un método de aproximación numérica modificado para calcular las fuerzas entre nanopartículas que trabaja órdenes de magnitud más rápido que los métodos convencionales. El nuevo método también ofrece ventajas para estudiar las fuerzas entre nanopartículas metálicas y membranas biológicas, así como para explorar soluciones más complicadas. Los investigadores planean seguir investigando ambas áreas en el futuro.

"En nuestro grupo, contamos con una extensa línea de investigación en sistemas coloidales, que va desde las simulaciones hasta la teoría, ", Dijo Levin." Hasta ahora hemos examinado teóricamente los efectos de la polarización en las partículas metálicas en un electrolito 1:1. Dado que los efectos de correlación en tales soluciones no son muy fuertes, tales sistemas son susceptibles de nuestro tratamiento teórico. Sin embargo, en soluciones más complicadas como electrolito 3:1, los efectos de correlación entre iones serán muy importantes y nuestras herramientas teóricas no serán suficientes. En este caso estamos desarrollando métodos de simulación para estudiar la interacción entre nanopartículas metálicas ".

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