Siły van der Waalsa zmierzone ponownie

Siły van der Waalsa działają jak swojego rodzaj „spoiwo kwantowe” we wszystkich rodzajach materii. Za pomocą nowej techniki pomiarowej, naukowcy z Forschungszentrum Jülich określili doświadczalnie po raz pierwszy wszystkie najważniejsze szczegóły dotyczące mocy wiązania pojedynczych cząsteczek do powierzchni. Dzięki użyciu mikroskopu sił atomowych (AFM, ang. atomic force microscope) wykazano, że siły nie tylko zwiększają się wraz z wielkością cząsteczki, ale również rosną nieproporcjonalnie szybko. Wyniki badań zostały opublikowane w Nature Communications[1] i mogą przyczynić się do poprawy podstawowych metod symulacji stosowanych w chemii, fizyce, biologii i naukach o materiałach.

Siły van der Waalsa zmierzone ponownie

Rys.1 Van der Waals

Chociaż siły van der Waalsa odkryto około 150 lat temu, nadal trudno je obliczyć przy przewidywaniu zachowania ciał stałych, cieczy i cząsteczek. Precyzyjne pomiary były możliwe do tej pory tylko dla pojedynczych atomów lub obiektów makroskopowych. Jednakże, siły van der Waalsa są szczególnie ważne przy złożonych cząsteczkach średniej wielkości, takich jak biomolekuły czy białka. Są one również odpowiedzialne za funkcjonowanie niektórych substancji klejących, a także umożliwiają gekonom przyleganie tak zadziwiająco dobrze do powierzchni, że pozwala im to wspinać się nawet na gładkie ściany.  

„Korzystając z naszej metody, po raz pierwszy określiliśmy siły van der Waalsa dla pojedynczych cząsteczek w większym zakresie odległości”, mówi dr Christian Wagner. Zmierzone wartości są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi, według których siła wiązania maleje wraz z sześcianem odległości. Wyjaśnia to bardzo mały zasięg interakcji. Badania wykazały również, że im większa cząsteczka, tym silniejsze jest jej przyciąganie do powierzchni. W rzeczywistości efekt ten jest jeszcze silniejszy niż w prostych modelach służących do przewidywania, a także silniejszy niż wartości intuicyjnie zakładane. „Intuicyjnie sumujemy tylko interakcje wszystkich zaangażowanych atomów. Okazuje się jednak, że siły van der Waalsa są o 10% wyższe”, mówi Peter Grünberg, fizyk Instytutu Jülich  Grünberg.

Siły van der Waalsa zmierzone ponownie1

Rys.2 Gekon przylegający do gładkiej powierzchni

Co jest przyczyną wzrostu superliniowego? Siły van der Waalsa tworzą się ze względu na przemieszczenie elektronów w powłokach atomów i cząsteczek, które jest spowodowane przez fluktuacje kwantowe. Prowadzi to do słabego przyciągania elektrycznego. W przypadku większych cząsteczek więcej atomów jest zaangażowanych i oddziałuje z większą ilością sąsiadujących atomów. W efekcie siła rośnie.

„Duże cząsteczki organiczne często tworzą chmury elektronów, które rozciągają się na powierzchni całej cząsteczki. Dzięki temu oferują elektronom znacznie więcej pola do manewru niż w przypadku pojedynczego atomu”, mówi szef grupy badaczy w Jülich, dr Ruslan Temirov.

W czasie pomiarów, naukowcy umieścili złożone związki organicznego, które były przymocowane do powierzchni metalowej, na końcówce mikroskopu sił atomowych. Następnie przymocowali końcówkę do czujnika drgań, tak aby szybko przemieszczała się tam i z powrotem. Gdy cząsteczki są usuwane z powierzchni, następuje zmiana częstotliwości wibracji, co pozwala na wyciągnięcie wniosków dotyczących sił van der Waalsa, nawet gdy końcówka zostaje wycofana na kilka długości cząsteczki (ok. 4 nm) od powierzchni.

Uzyskane wartości są szczególnie interesujące dla obliczeń symulacyjnych wykorzystujących teorię funkcjonału gęstości (DFT, ang. density functional theory), których rozwój został uhonorowany Nagrodą Nobla w 1998 roku. Technika jest dzisiaj najbardziej powszechnie stosowaną metodą do obliczania właściwości strukturalnych, elektrycznych i optycznych cząsteczek. Pomimo wielu zalet, wciąż występują pewne problemy w poprawnym przewidywaniu siły van der Waalsa.

  1. C. Wagner, N. Fournier, V. G. Ruiz, C. Li, K. Müllen, M. Rohlfing, A. Tkatchenko, R. Temirov, and F. S. Tautz. Non-additivity of molecule-surface van der Waals potentials from force measurementsNat. Commun., 26 November 2014 DOI:10.1038/ncomm6568
  2. http://www.sciencedaily.com/releases/2014/11/141126075101.htm

Opracowała: Kinga Cholewińska

Korekta: Maciej Bielak-Wolanin

Bookmark the permalink.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *


*