Dichiarato per la prima volta dal fisico francese Charles-Augustin de Coulomb nel XVIII secolo, “gli opposti si attraggono e le cariche simili si respingono” è diventato un linguaggio familiare, anche se notoriamente riformulato da Paula Abdul.
Gli opposti si attraggono: in alcuni liquidi è vero il contrario
Una nuova ricerca pubblicata sulla rivista Nature Nanotechnology ha messo in discussione la legge della fisica per la quale gli opposti si attraggono. Un team di ricercatori ha scoperto che, in alcuni liquidi, è vero il contrario: le particelle cariche allo stesso modo si attraggono.
“Poiché ci si aspetta che gli oggetti con la stessa carica nel vuoto si respingano indipendentemente dal fatto che il segno della carica che portano sia positivo o negativo, l’aspettativa è che anche le particelle con la stessa carica in soluzione si respingano monotonicamente”, hanno dichiarato i ricercatori dello studio.
Per verificare l’ipotesi, i ricercatori hanno posizionato microparticelle di silice cariche, che misurano 5 micrometri di larghezza, una frazione della larghezza di un capello umano, all’interno dell’acqua o di uno dei due tipi di alcol. Monitorando le cariche con un microscopio, il team ha stabilito che, all’interno dell’acqua, le particelle caricate positivamente si sono allontanate l’una dall’altra in conformità con la legge di Coulomb.
Le particelle caricate negativamente invece si sono comportate in modo completamente diverso rispetto alla regola “gli opposti si attraggono”: si sono raggruppate in minuscole strutture esagonali. Questo effetto si è verificato quando l’acqua è stata resa leggermente acida, in una finestra di pH compresa tra 5 e 6,5, o acida quanto il caffè o il latte, e è scomparso al di fuori di questo intervallo.
Quando le particelle caricate positivamente sono state inserite all’interno di etanolo o isopropanolo, si è ottenuto l’effetto opposto: le cariche positive sono state attratte l’una dall’altra e quelle negative respinte.
Per spiegare questo comportamento inconsueto, i ricercatori si sono rivolti a una teoria che hanno sviluppato e che ha modellato l’acqua come un mezzo molecolare piuttosto che come un mezzo continuo.
“Le nostre equazioni standard sono equazioni del continuo: non rispettano la natura granulosa del continuo”, ha spiegato l’autore principale Madhavi Krishnan, Professore di chimica fisica all’Università di Oxford: “Funziona perfettamente nella maggior parte delle situazioni, tranne quando non funziona”.
Modellando le molecole d’acqua come minuscoli dipoli elettromagnetici, con una leggera carica negativa sull’atomo di ossigeno e una carica positiva attorno agli atomi di idrogeno, i ricercatori hanno scoperto che una “forza di elettrosolvatazione” deriva dall’interazione tra l’ossigeno negativo e le particelle negative di silice.
Questa forza riduce l’energia complessiva nel sistema dopo che un protone è “saltato” sulle particelle di silice per diminuire la loro carica negativa complessiva, e si verifica a un intervallo di pH distinto quando i protoni nella soluzione sono in grado di cambiare posizione.
“Devi trovarti in un intervallo di pH in cui i protoni vogliono salire e scendere”, ha aggiunto Krishnan. Nell’alcol, il dipolo molecolare è invertito, facendo sentire la forza tra le cariche positive, ha scoperto il team.
Ora che l’effetto è stato dimostrato, i ricercatori lo utilizzeranno per comprendere meglio i condensati biomolecolari, un tipo di organello cellulare in grado di separare le fasi del contenuto di una cellula e il cui funzionamento è vitale per comprendere le malattie.
“Sarei sbalordito se il principio fondamentale sottostante non fosse simile”, ha detto Krishnan: “Se possiamo contribuire a comprendere questa classe di problemi, allora penso che abbiamo aggiunto un concetto piuttosto importante, perché si prevede che tali fenomeni siano rilevanti anche nelle malattie umane”.