Fysikere måler van der Waals kræfter fra individuelle atomer for første gang

Det er lykkedes fysikere ved det schweiziske nanovidenskabsinstitut og universitetet i Basel for første gang at måle de meget svage van der Waals-kræfter mellem individuelle atomer. At gøre dette, de fikserede individuelle ædelgasatomer i et molekylært netværk og bestemte vekselvirkningerne med et enkelt xenonatom, som de havde placeret i spidsen af ​​et atomkraftmikroskop. Som forventet, kræfterne varierede efter afstanden mellem de to atomer; men, i nogle tilfælde, kræfterne var flere gange større end teoretisk beregnet. Disse resultater er rapporteret af det internationale team af forskere i Naturkommunikation .

Van der Waals kræfter virker mellem ikke-polære atomer og molekyler. Selvom de er meget svage i forhold til kemiske bindinger, de har en enorm betydning. De spiller en vigtig rolle i alle processer vedrørende samhørighed, vedhæftning, friktion eller kondens og er, for eksempel, afgørende for en gekkos klatreevner.

Van der Waals interaktioner opstår på grund af en midlertidig omfordeling af elektroner i atomer og molekyler. Dette resulterer i lejlighedsvis dannelse af dipoler, som igen inducerer en omfordeling af elektroner i tæt tilstødende molekyler. På grund af dannelsen af ​​dipoler, de to molekyler oplever en gensidig tiltrækning, som omtales som en van der Waals interaktion. Dette eksisterer kun midlertidigt, men bliver gentagne gange omdannet. De enkelte kræfter er de svageste bindende kræfter, der findes i naturen, men de tilføjer op til at nå størrelser, som vi meget tydeligt kan opfatte på den makroskopiske skala - som i eksemplet med gekkoen.

Fastgjort i nano-bægeret

For at måle van der Waals-kræfterne, videnskabsmænd i Basel brugte et lavtemperatur-atomkraftmikroskop med et enkelt xenon-atom på spidsen. De fikserede derefter det individuelle argon, krypton- og xenonatomer i et molekylært netværk. Dette netværk, som er selvorganiserende under visse eksperimentelle forhold, indeholder såkaldte nanobægre af kobberatomer, hvor ædelgasatomerne holdes på plads som et fugleæg. Kun med denne eksperimentelle opstilling er det muligt at måle de små kræfter mellem mikroskopspidsen og ædelgasatomet, da en ren metaloverflade ville tillade ædelgasatomerne at glide rundt.

Sammenlignet med teori

Forskerne sammenlignede de målte kræfter med beregnede værdier og viste dem grafisk. Som forventet ud fra de teoretiske beregninger, de målte kræfter faldt dramatisk, efterhånden som afstanden mellem atomerne steg. Mens der var god overensstemmelse mellem målte og beregnede kurveformer for alle de analyserede ædelgasser, de absolut målte kræfter var større end man havde forventet ud fra beregninger efter standardmodellen. Frem for alt for xenon, de målte kræfter var større end de beregnede værdier med en faktor på op til to.

Forskerne arbejder ud fra den antagelse, at selv i ædelgasserne, ladningsoverførsel finder sted, og derfor dannes der lejlighedsvis svage kovalente bindinger, hvilket ville forklare de højere værdier.

Det internationale hold af forskere fra Schweiz, Japan, Finland, Sverige og Tyskland brugte forsøgsopstillingen ovenfor til at måle de mindste kræfter, der nogensinde er opdaget mellem individuelle atomer. Derved, forskerne har vist, at de stadig kan skubbe videre ind i nye felter ved hjælp af atomkraftmikroskopi, som blev udviklet for præcis 30 år siden.