Fysiker vid Swiss Nanoscience Institute och University of Basel har för första gången lyckats mäta de mycket svaga van der Waals-krafterna mellan enskilda atomer. Att göra detta, de fixerade individuella ädelgasatomer i ett molekylärt nätverk och bestämde interaktionerna med en enda xenonatom som de hade placerat i spetsen av ett atomkraftmikroskop. Som förväntat, krafterna varierade beroende på avståndet mellan de två atomerna; men, i vissa fall, krafterna var flera gånger större än teoretiskt beräknat. Dessa fynd rapporteras av det internationella teamet av forskare i Naturkommunikation .

Van der Waals krafter verkar mellan opolära atomer och molekyler. Även om de är mycket svaga i jämförelse med kemiska bindningar, de är enormt betydelsefulla till sin natur. De spelar en viktig roll i alla processer som rör sammanhållning, adhesion, friktion eller kondens och är, till exempel, avgörande för en geckos klättringsförmåga.

Van der Waals interaktioner uppstår på grund av en tillfällig omfördelning av elektroner i atomerna och molekylerna. Detta resulterar i att det ibland bildas dipoler, vilket i sin tur inducerar en omfördelning av elektroner i nära angränsande molekyler. På grund av bildandet av dipoler, de två molekylerna upplever en ömsesidig attraktion, som kallas en van der Waals-interaktion. Detta existerar bara tillfälligt men omformas upprepade gånger. De individuella krafterna är de svagaste bindande krafterna som finns i naturen, men de summerar till att nå magnituder som vi kan uppfatta mycket tydligt på den makroskopiska skalan - som i exemplet med gecko.

Fast i nano-bägaren

För att mäta van der Waals krafter, forskare i Basel använde ett lågtemperatur-atomkraftsmikroskop med en enda xenonatom på spetsen. De fixade sedan det individuella argonet, krypton- och xenonatomer i ett molekylärt nätverk. Detta nätverk, som är självorganiserande under vissa experimentella förhållanden, innehåller så kallade nanobägare av kopparatomer där ädelgasatomerna hålls på plats som ett fågelägg. Endast med denna experimentella uppställning är det möjligt att mäta de små krafterna mellan mikroskopspetsen och ädelgasatomen, eftersom en ren metallyta skulle tillåta ädelgasatomerna att glida runt.

Jämfört med teori

Forskarna jämförde de uppmätta krafterna med beräknade värden och visade dem grafiskt. Som förväntat av de teoretiska beräkningarna, de uppmätta krafterna minskade dramatiskt när avståndet mellan atomerna ökade. Även om det fanns god överensstämmelse mellan uppmätta och beräknade kurvformer för alla analyserade ädelgaser, de absolut uppmätta krafterna var större än vad som förväntats av beräkningar enligt standardmodellen. Framför allt för xenon, de uppmätta krafterna var större än de beräknade värdena med en faktor på upp till två.

Forskarna arbetar utifrån antagandet att även i ädelgaserna, laddningsöverföring sker och därför bildas ibland svaga kovalenta bindningar, vilket skulle förklara de högre värdena.

Det internationella teamet av forskare från Schweiz, Japan, Finland, Sverige och Tyskland använde experimentupplägget ovan för att mäta de minsta krafter som någonsin upptäckts mellan enskilda atomer. Genom att göra så, forskarna har visat att de fortfarande kan driva vidare in på nya områden med hjälp av atomkraftsmikroskopi, som utvecklades för exakt 30 år sedan.