En ce qui concerne la charge électrique, il y a un thème dominant :les contraires s'attirent, et comme les charges repoussent. Mais dans une nouvelle étude, Les physiciens ont fait la découverte surprenante que deux nanoparticules métalliques sphériques de même charge avec des charges inégales peuvent s'attirer l'une l'autre dans une solution d'électrolyte diluée. La raison, en bref, est que la nanoparticule la plus fortement chargée polarise le noyau métallique de la nanoparticule faiblement chargée, ce qui modifie l'interaction entre les nanoparticules.

Les chercheurs, Alexandre P. dos Santos et Yan Levin à l'Université fédérale de Rio Grande do Sul au Brésil, ont publié un article sur l'attraction à charges similaires dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

"Notre article élucide un comportement très contre-intuitif qui était auparavant considéré comme impossible, " Levin a dit Phys.org .

Ce n'est pas la première fois que des chercheurs observent une attraction entre des particules de même charge. Dès 1980, la recherche a montré que des particules de même charge peuvent s'attirer les unes les autres lorsqu'elles sont placées dans une solution d'électrolyte contenant des contre-ions multivalents. Un contre-ion multivalent est un ion qui peut perdre ou gagner plus d'un électron pour prendre une charge telle que ±2 ou ±3, et le signe de la charge est opposé à celui d'un autre ion. Par exemple, l'ion aluminium Al ³⁺ est un contre-ion multivalent pour l'ion chlorure Cl ^- , formant ensemble du chlorure d'aluminium, AlCl 3 . Lorsque les contre-ions multivalents font partie d'une solution d'électrolyte, leurs charges peuvent fluctuer de manière corrélée, provoquant l'attraction des particules de même charge dans la solution.

Cependant, dans la nouvelle manifestation, la solution d'électrolyte est 1:1, ce qui signifie qu'il ne contient que des contre-ions monovalents, c'est à dire., ions qui n'ont que ±1 charge. Comme les corrélations électrostatiques entre les ions dans les solutions 1:1 sont négligeables, on a généralement supposé que les particules de même charge dans ces solutions se repoussent toujours les unes les autres. A l'appui de cette hypothèse, dans la nouvelle étude, les chercheurs ont démontré que des plaques de métal chargées de manière similaire dans une solution d'électrolyte 1:1 se repoussent toujours les unes les autres.

Jusqu'à maintenant, toutes les études précédentes dans ce domaine n'ont examiné que des situations dans lesquelles les deux particules de même charge ont la même amplitude de charge. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont examiné ce qui se passe lorsque les deux particules ont des charges inégales (bien que toujours du même signe).

Ils ont trouvé que, lorsque deux particules avec des charges inégales dans une solution d'électrolyte 1:1 se rapprochent, la nanoparticule de charge la plus forte polarisera le noyau métallique de la nanoparticule de charge la plus faible, ce qui signifie qu'une majorité des électrons du noyau se regrouperont d'un côté du noyau. Cela fait que cette nanoparticule a une légère charge positive d'un côté et une légère charge négative de l'autre côté. Les charges non uniformes induites par la polarisation sur le noyau de la nanoparticule peuvent amener les deux nanoparticules inégalement chargées à s'attirer l'une l'autre, même si les nanoparticules ont le même signe de charge global. L'observation que l'attraction ne se produit qu'entre des nanoparticules métalliques sphériques inégalement chargées, et non entre des plaques métalliques, indique l'importance de la courbure et la présence d'un noyau central pour ce résultat contre-intuitif.

En plus d'être une découverte théorique intéressante, les résultats pourraient également être très utiles lorsqu'ils sont appliqués aux nanoparticules d'or, qui sont développés pour une variété d'applications médicales telles que le traitement du cancer et l'administration de médicaments. Les nanoparticules d'or ont une forte affinité pour certaines surfaces biologiques, comme les membranes phospholipidiques, qui renferment des cellules. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont démontré que les nanoparticules d'or chargées négativement sont généralement repoussées des surfaces chargées négativement des membranes phospholipidiques. Cependant, dans certaines conditions, la force entre les nanoparticules d'or et les membranes devient attractive. Les chercheurs prévoient d'explorer plus avant ces effets et leurs implications dans de futures recherches.

"Le mécanisme que nous avons décrit pourrait également être important pour comprendre la stabilité des suspensions de particules biologiques, " Levin a déclaré. "La méthode habituelle de stabilisation des suspensions de nanoparticules est par répulsion de charge similaire, essentiellement la synthèse de particules avec une charge de surface afin qu'elles se repoussent et ne collent pas ensemble. Ici, nous montrons, cependant, que si la suspension est suffisamment polydisperse en taille et en charge, les nanoparticules de même charge peuvent en fait s'attirer les unes les autres, se serrer les coudes et précipiter."

L'un des défis auxquels les chercheurs ont été confrontés au cours de leur travail était de modéliser quantitativement les nouveaux résultats, car les méthodes conventionnelles sont très coûteuses en temps de calcul. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé une méthode d'approximation numérique modifiée pour calculer les forces entre les nanoparticules qui fonctionne des ordres de grandeur plus rapidement que les méthodes conventionnelles. La nouvelle méthode offre également des avantages pour l'étude des forces entre les nanoparticules métalliques et les membranes biologiques, ainsi que pour explorer des solutions plus complexes. Les chercheurs prévoient d'approfondir les deux domaines à l'avenir.

« Dans notre groupe, nous avons une vaste ligne de recherche sur les systèmes colloïdaux, qui va des simulations à la théorie, " Levin a déclaré. "Jusqu'à présent, nous avons examiné théoriquement les effets de la polarisation sur les particules métalliques dans l'électrolyte 1:1. Étant donné que les effets de corrélation dans de telles solutions ne sont pas très forts, de tels systèmes sont susceptibles de notre traitement théorique. Cependant, dans des solutions plus compliquées telles que l'électrolyte 3:1, les effets de corrélation entre ions seront très importants et nos outils théoriques ne suffiront pas. Dans ce cas, nous développons des méthodes de simulation pour étudier l'interaction entre les nanoparticules métalliques."

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