« Les charges opposées s’attirent ; les charges semblables se repoussent » est un principe fondamental de la physique fondamentale. Mais une nouvelle étude de l’Université d’Oxford, publiée aujourd’hui dans Nature Nanotechnologie, a démontré que des particules chargées de manière similaire en solution peuvent en fait s’attirer sur de longues distances. Tout aussi surprenant, l’équipe a découvert que l’effet est différent pour les particules chargées positivement et négativement, selon le solvant.
En plus de bouleverser des croyances de longue date, ces résultats ont des implications immédiates sur une série de processus impliquant des interactions interparticulaires 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 d’Oxford, a découvert que les particules chargées négativement s’attirent les unes les autres lors de grandes séparations, tandis que les particules chargées positivement se repoussent, tandis que l’inverse était le cas pour les solvants tels que les alcools. Ces découvertes sont surprenantes car elles semblent contredire le principe électromagnétique central selon lequel la force entre des charges de même signe est répulsive à toutes les séparations.
En utilisant la microscopie à fond clair, l’équipe a suivi des microparticules de silice chargées négativement en suspension dans l’eau et a découvert que les particules s’attiraient les unes les autres pour former des amas disposés de manière hexagonale. Toutefois, les particules de silice aminée chargées positivement ne forment pas d’amas dans l’eau.
En utilisant une théorie des interactions interparticulaires qui prend en compte la structure du solvant à l’interface, l’équipe a établi que pour les particules chargées négativement dans l’eau, il existe une force d’attraction qui dépasse la répulsion électrostatique aux grandes séparations, conduisant à la formation d’amas. Pour les particules chargées positivement dans l’eau, cette interaction induite par le solvant est toujours répulsive et aucun amas ne se forme.
Cet effet s’est avéré dépendant du pH ; l’équipe a pu contrôler la formation (ou non) d’amas de particules chargées négativement en faisant varier le pH. Quel que soit le pH, les particules chargées positivement ne formaient pas d’amas.
Naturellement, l’équipe s’est demandé si l’effet sur les particules chargées pouvait être modifié, de telle sorte que les particules chargées positivement formeraient des amas et pas les particules chargées négativement. 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 particules de silice aminée chargées positivement formaient des amas hexagonaux, contrairement à la silice chargée négativement.
Selon les chercheurs, cette étude implique un recalibrage fondamental de la compréhension qui influencera notre façon de penser à des processus aussi différents que la stabilité des produits pharmaceutiques et de chimie fine ou le dysfonctionnement pathologique associé à l’agrégation moléculaire dans les maladies humaines. Les nouvelles découvertes fournissent également des preuves de la capacité de sonder les propriétés du potentiel électrique interfacial dû au solvant, telles que son signe et sa magnitude, qui étaient auparavant considérées comme incommensurables.
Le professeur Madhavi Krishnan (Département de chimie, Université d’Oxford), qui a dirigé l’étude, déclare : « Je suis vraiment très fier de mes deux étudiants diplômés, ainsi que des étudiants de premier cycle, qui ont tous travaillé ensemble pour faire avancer cette découverte fondamentale. « .
Sida Wang (Département de chimie, Université d’Oxford), l’un des premiers auteurs de l’étude, déclare : « Je trouve toujours fascinant de voir ces particules s’attirer, même après l’avoir vu mille fois. »
Plus d’information:
Une force à longue portée dépendante de la charge entraîne un assemblage sur mesure de la matière en solution, Nature Nanotechnologie (2024). DOI : 10.1038/s41565-024-01621-5