Liksom gravitationskrafterna som är ansvariga för attraktionen mellan jorden och månen, liksom dynamiken i hela solsystemet, det finns attraktiva krafter mellan objekt på nanoskala.

Detta är de så kallade van der Waals-krafterna, som är allestädes närvarande och anses spela en avgörande roll för att bestämma strukturen, stabilitet och funktion hos en mängd olika system inom biologi, kemi, fysik och materialvetenskap.

"För att uttrycka sig enkelt, varje molekylsystem och varje material i naturen upplever dessa krafter, "sade Robert A. DiStasio Jr., biträdande professor i kemi och kemisk biologi vid College of Arts and Sciences. "Faktiskt, vi upptäcker att deras inflytande är ganska omfattande, och inkluderar protein-läkemedelsinteraktioner, stabiliteten hos DNA -dubbelhelixen, och till och med de speciella vidhäftningsegenskaperna hos geckofoten. "

Jämfört med den kovalenta bindningen (vilket innebär att elektronpar delas mellan atomer), van der Waals krafter är relativt svaga och härrör från momentana elektrostatiska interaktioner mellan de fluktuerande elektronmolnen som omger mikroskopiska föremål. Dock, dessa krafter har fortfarande kvantemekaniska ursprung och har utgjort en stor utmaning för både teori och experiment hittills.

I en tidning i 11 mars numret av Vetenskap , DiStasio och medarbetare Alexandre Tkatchenko från Luxemburgs universitet och Fritz Haber Institute har lagt fram ett nytt förslag för att beskriva van der Waals styrkor bland objekt på nanoskala.

Generellt, Det finns två tankar om dessa krafter. Den rådande beskrivningen av van der Waals interaktioner bland de flesta kemister och biologer är bilden av två inducerade elektriska dipoler, liknande N- och S -polerna på en magnet, representerar de ojämna fördelningarna av positiva och negativa laddningar. Bilden av många fysiker, dock, centrerar kring det faktum att vågliknande vakuumfluktuationer är ansvariga för van der Waals interaktioner mellan större makroskopiska objekt.

I deras arbete, DiStasio och Tkatchenko visar att dessa grundläggande krafter mellan nanostrukturer också måste beskrivas av de elektrostatiska interaktionerna mellan vågliknande (eller delokaliserade) laddningstäthetsfluktuationer istället för de ovannämnda partikelliknande (eller lokala) inducerade dipolerna. De tror att deras arbete kan hjälpa till att överbrygga klyftan mellan dessa två trossystem, och hjälpa forskare att förstå och kontrollera interaktionen mellan objekt på nanoskala.

"Vårt arbete visar att det finns en mycket större variation av system, såsom nanostrukturerade system, där du måste tänka på van der Waalskraften när det gäller interaktioner mellan vågor istället för interaktioner mellan partiklar, "Sa Tkatchenko.

Paul McEuen, John A. Newman professor i fysikalisk vetenskap och chef för Kavli Institute vid Cornell for Nanoscale Science, ser duos forskning som ett viktigt första steg på länge, komplicerad resa till vad McEuen halvskämtigt karakteriserade som "lösa biologi".

"Det låter som ett ganska tråkigt problem, men det är faktiskt ett djupt viktigt problem, hur biomolekyler samlas och så vidare, "sa McEuen." Det är ett oerhört viktigt problem, speciellt för någon som jag, vem är en nanokille, men det kommer att ta tid att lösa. "

McEuen är upphetsad över arbetet, och sa att han och DiStasio förväntar sig att samarbeta om relaterad forskning i framtiden.

"Detta arbete ger en konceptuell ram, eller vanligt språk, att biologer, apotek, fysiker och materialforskare kan använda för att beskriva van der Waals krafter på nanoskala, "DiStasio sa." Det ger också en beräkningsmässig ram för att exakt förutsäga hur dessa allestädes närvarande interaktioner påverkar materiens fysiska och kemiska egenskaper. "