Quando se trata de carga elétrica, há um tema predominante:os opostos se atraem, e cargas semelhantes se repelem. Mas em um novo estudo, físicos fizeram a surpreendente descoberta de que duas nanopartículas esféricas de metal com carga semelhante e cargas desiguais podem atrair uma à outra em uma solução eletrolítica diluída. O motivo, resumidamente, é que quanto mais fortemente carregada a nanopartícula polariza o núcleo metálico da nanopartícula fracamente carregada, que altera a interação entre as nanopartículas.

Os pesquisadores, Alexandre P. dos Santos e Yan Levin da Universidade Federal do Rio Grande do Sul no Brasil, publicaram um artigo sobre a atração de carga semelhante em uma edição recente da Cartas de revisão física .

"Nosso artigo elucida um comportamento muito contra-intuitivo que antes era considerado impossível, "Levin disse Phys.org .

Esta não é a primeira vez que os pesquisadores observaram atração entre partículas com carga semelhante. Já em 1980, a pesquisa mostrou que partículas com carga semelhante podem atrair umas às outras quando colocadas em uma solução eletrolítica contendo contra-íons multivalentes. Um contra-íon multivalente é um íon que pode perder ou ganhar mais de um elétron para assumir uma carga como ± 2 ou ± 3, e o sinal da carga é oposto ao de outro íon. Por exemplo, o íon alumínio Al ³⁺ é um contra-íon multivalente para o íon cloreto Cl ^- , juntos formando cloreto de alumínio, AlCl ₃ . Quando contra-íons multivalentes são parte de uma solução eletrolítica, suas taxas podem flutuar de forma correlacionada, fazendo com que as partículas com carga semelhante na solução se atraiam.

Contudo, na nova demonstração, a solução de eletrólito é 1:1, o que significa que contém apenas contra-íons monovalentes, ou seja, íons que têm apenas ± 1 carga. Como as correlações eletrostáticas entre os íons em soluções 1:1 são insignificantes, foi geralmente assumido que partículas com carga semelhante nessas soluções sempre se repelem. Para apoiar esta suposição, no novo estudo, os pesquisadores demonstraram que placas de metal com carga semelhante em uma solução de eletrólito 1:1 sempre se repelem.

Até agora, todos os estudos anteriores nesta área investigaram apenas situações nas quais as duas partículas com carga semelhante têm a mesma magnitude de carga. No novo estudo, os pesquisadores observaram o que acontece quando as duas partículas têm cargas desiguais (embora ainda tenham o mesmo sinal).

Eles descobriram que, quando duas partículas com cargas desiguais em uma solução de eletrólito 1:1 se aproximam, a nanopartícula com a carga mais forte polarizará o núcleo metálico da nanopartícula com a carga mais fraca, o que significa que a maioria dos elétrons no núcleo se agrupará em um lado do núcleo. Isso faz com que a nanopartícula tenha uma leve carga positiva de um lado e uma leve carga negativa do outro. As cargas não uniformes induzidas por polarização no núcleo da nanopartícula podem fazer com que as duas nanopartículas com carga desigual se atraiam, mesmo que as nanopartículas tenham o mesmo sinal de carga geral. A observação de que a atração ocorre apenas entre nanopartículas de metal esférico com carga desigual, e não entre placas de metal, indica a importância da curvatura e a presença de um núcleo central para este resultado contra-intuitivo.

Além de ser uma descoberta teórica interessante, os resultados também podem ser muito úteis quando aplicados a nanopartículas de ouro, que estão sendo desenvolvidos para uma variedade de aplicações médicas, como tratamento de câncer e distribuição de drogas. Nanopartículas de ouro têm uma forte afinidade por algumas superfícies biológicas, tais como membranas fosfolipídicas, que encerram as células. No novo estudo, os pesquisadores demonstraram que as nanopartículas de ouro carregadas negativamente são geralmente repelidas das superfícies carregadas negativamente das membranas fosfolipídicas. Contudo, sob certas condições, a força entre as nanopartículas de ouro e as membranas torna-se atrativa. Os pesquisadores planejam explorar ainda mais esses efeitos e suas implicações em pesquisas futuras.

"O mecanismo que descrevemos também pode ser importante para a compreensão da estabilidade das suspensões de partículas biológicas, "Levin disse." O método usual de estabilizar suspensões de nanopartículas é através da repulsão de carga semelhante - basicamente sintetizar partículas com carga superficial para que se repelam e não se colem. Aqui mostramos, Contudo, que se a suspensão for suficientemente polidispersa em tamanho e carga, nanopartículas com cargas semelhantes podem realmente atrair umas às outras, aderindo e precipitando. "

Um dos desafios que os pesquisadores enfrentaram durante seu trabalho foi modelar quantitativamente os novos resultados, já que os métodos convencionais são altamente dispendiosos do ponto de vista computacional. Para resolver este problema, os pesquisadores desenvolveram um método de aproximação numérica modificado para calcular forças entre nanopartículas que funciona ordens de magnitude mais rápido do que os métodos convencionais. O novo método também oferece vantagens para estudar as forças entre as nanopartículas metálicas e as membranas biológicas, bem como para explorar soluções mais complicadas. Os pesquisadores planejam investigar melhor as duas áreas no futuro.

“No nosso grupo, temos uma extensa linha de pesquisa em sistemas coloidais, que varia de simulações a teoria, "Levin disse." Até agora examinamos teoricamente os efeitos da polarização em partículas de metal em eletrólito 1:1. Uma vez que os efeitos de correlação em tais soluções não são muito fortes, tais sistemas são suscetíveis ao nosso tratamento teórico. Contudo, em soluções mais complicadas, como eletrólito 3:1, os efeitos da correlação entre os íons serão muito importantes e nossas ferramentas teóricas não serão suficientes. Neste caso, estamos desenvolvendo métodos de simulação para estudar a interação entre nanopartículas de metal. "

© 2019 Science X Network