Lorsque des semblables s’attirent : des scientifiques renversent un principe fondamental de la physique
Contrairement aux relations humaines, la physique des particules est très stricte en ce qui concerne le dicton « les semblables se repoussent, les opposés s’attirent ». De même que les mêmes pôles de deux aimants ne se touchent pas, les charges négatives et positives ont une aversion universelle pour leur propre compagnie.
Pourtant, des chimistes de l’université d’Oxford (Royaume-Uni) ont découvert dans une éprouvette une histoire qui démontre que l’amour trouve toujours un moyen. Même entre particules de même charge. Si l’on suspend plusieurs électrons dans un vide complet, ils se lancent des coups de poignard électromagnétiques, se repoussant l’un l’autre avec une force électrostatique représentée par la loi de Coulomb. De même, des protons dans le vide de l’espace seront également séparés en vertu de leurs charges positives communes. En revanche, si l’on mélange des particules dominées par des charges différentes, on assiste à un véritable feu d’artifice. En fait, la chimie ne serait pas la même sans la loi de Coulomb qui régit le feuilleton des triangles d’amour atomiques.
Pour simplifier les choses, les chimistes partent du principe que cette loi s’applique aussi bien aux particules chargées flottant dans une solution qu’à ces mêmes particules dans le vide. L’auteur principal de l’étude (lien plus bas), Sida Wang et son équipe ont envisagé la possibilité que les règles ne soient pas aussi simples en présence d’un solvant.
Dans une série d’expériences basées sur des particules de silice dans différents types de solutions, les chercheurs ont mesuré des facteurs tels que l’acidité et la structure moléculaire du solvant afin de déterminer la force des interactions entre les particules. À l’aide d’un microscope optique, ils ont également calculé la distribution de la densité des particules.
Leurs observations ont clairement montré que les particules de silice chargées négativement dans les solutions à base d’eau ne s’écartaient pas les unes des autres comme elles le feraient dans un espace vide idéal. Au contraire, elles se rapprochaient. L’une des explications possibles réside dans l’examen du pH de la solution, qui affecte la force de l’attraction lorsqu’il passe d’une valeur relativement acide de 4 à une valeur plutôt basique de 10.
Curieusement, les particules de silice modifiées pour avoir une charge positive ne se sont pas comportées de la sorte, du moins pas dans les solutions aqueuses. D’autres expériences utilisant l’alcool comme solvant ont toutefois permis aux particules chargées positivement de se rapprocher les unes des autres. Ces nouvelles forces attractives ont été observées sur de longues distances et ont été contrecarrées par la répulsion attendue sur des distances plus courtes.
Bien que les interactions entre les particules et le solvant soient complexes, il est clair qu’elles sont suffisamment importantes pour supplanter les forces de Coulomb, toujours présentes, qui séparent habituellement les particules dominées par la même charge. Dans ce que les chercheurs appellent une « electrosolvation force« , la structure de la solution et ses propres composants chargés interagissent avec les surfaces des particules en suspension de manière à créer une force d’attraction nette, attirant la silice dans des amas malgré leur répulsion.
Ces résultats pourraient avoir des répercussions importantes dans pratiquement tous les domaines scientifiques où les mouvements des particules chargées dans une solution sont importants, du développement pharmaceutique à l’étude des maladies, en passant par la conception de nouveaux types de nanotechnologies.
Selon les chercheurs :
Les molécules chargées de la même manière en solution peuvent en fait subir une attraction forte et de longue portée contre-intuitive, même dans des conditions physiologiques.
L’étude publiée dans Nature Nanotechnology : A charge-dependent long-ranged force drives tailored assembly of matter in solution et présentée sur le site de l’Université d’Oxford : It’s not only opposites that attract – new study shows like-charged particles can come together.