Natuurkundigen van het Zwitserse Nanoscience Institute en de Universiteit van Basel zijn er voor het eerst in geslaagd de zeer zwakke van der Waals-krachten tussen individuele atomen te meten. Om dit te doen, ze fixeerden individuele edelgasatomen binnen een moleculair netwerk en bepaalden de interacties met een enkel xenon-atoom dat ze aan het uiteinde van een atoomkrachtmicroscoop hadden geplaatst. Zoals verwacht, de krachten varieerden afhankelijk van de afstand tussen de twee atomen; maar, in sommige gevallen, de krachten waren meerdere malen groter dan theoretisch berekend. Deze bevindingen worden gerapporteerd door het internationale team van onderzoekers in Natuurcommunicatie .

Van der Waals-krachten werken tussen niet-polaire atomen en moleculen. Hoewel ze erg zwak zijn in vergelijking met chemische bindingen, ze zijn enorm belangrijk van aard. Ze spelen een belangrijke rol in alle processen die te maken hebben met cohesie, hechting, wrijving of condensatie en zijn, bijvoorbeeld, essentieel voor de klimvaardigheden van een gekko.

Van der Waals-interacties ontstaan ​​door een tijdelijke herverdeling van elektronen in de atomen en moleculen. Dit resulteert in de occasionele vorming van dipolen, die op hun beurt een herverdeling van elektronen in nauw aangrenzende moleculen induceren. Door de vorming van dipolen, de twee moleculen ervaren een wederzijdse aantrekkingskracht, wat een van der Waals-interactie wordt genoemd. Dit bestaat slechts tijdelijk, maar wordt herhaaldelijk opnieuw gevormd. De individuele krachten zijn de zwakste bindende krachten die in de natuur bestaan, maar ze tellen bij elkaar op om grootheden te bereiken die we heel duidelijk kunnen waarnemen op macroscopische schaal - zoals in het voorbeeld van de gekko.

Vast in de nano-beker

Om de van der Waals-krachten te meten, wetenschappers in Bazel gebruikten een atoomkrachtmicroscoop bij lage temperatuur met een enkel xenon-atoom op de punt. Vervolgens hebben ze het individuele argon gefixeerd, krypton- en xenon-atomen in een moleculair netwerk. Dit netwerk, die onder bepaalde experimentele omstandigheden zelforganiserend is, bevat zogenaamde nanobekers van koperatomen waarin de edelgasatomen als een vogelei op hun plaats worden gehouden. Alleen met deze experimentele opstelling is het mogelijk om de kleine krachten tussen de microscooppunt en het edelgasatoom te meten, omdat een puur metalen oppervlak de edelgasatomen zou laten schuiven.

Vergeleken met theorie

De onderzoekers vergeleken de gemeten krachten met berekende waarden en gaven deze grafisch weer. Zoals verwacht uit de theoretische berekeningen, de gemeten krachten daalden dramatisch naarmate de afstand tussen de atomen groter werd. Hoewel er een goede overeenkomst was tussen gemeten en berekende curvevormen voor alle geanalyseerde edelgassen, de absoluut gemeten krachten waren groter dan uit berekeningen volgens het standaardmodel was verwacht. Vooral voor xenon, de gemeten krachten waren een factor twee groter dan de berekende waarden.

De wetenschappers gaan ervan uit dat, zelfs in de edelgassen, er vindt ladingsoverdracht plaats en daarom worden af ​​en toe zwakke covalente bindingen gevormd, wat de hogere waarden zou verklaren.

Het internationale team van wetenschappers uit Zwitserland, Japan, Finland, Zweden en Duitsland gebruikten de experimentele opstelling hierboven om de kleinste krachten te meten die ooit tussen individuele atomen zijn gedetecteerd. Daarbij, de onderzoekers hebben aangetoond dat ze nog steeds nieuwe gebieden kunnen betreden met behulp van atoomkrachtmicroscopie, die precies 30 jaar geleden werd ontwikkeld.