Οι φυσικοί του Ελβετικού Ινστιτούτου Νανοεπιστημών στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας έχουν καταφέρει να μετρήσουν για πρώτη φορά τις πολύ αμυδρές δυνάμεις van der Waals μεταξύ διαφορετικών ατόμων. Για να το πετύχουν, σταθεροποίησαν άτομα ευγενών αερίων μέσα σε ένα μοριακό πλέγμα και όρισαν τις σχέσεις τους με ένα άτομο ξένου που είχαν βάλει στην άκρη ενός μικροσκοπίου ατομικών δυνάμεων. Όπως αναμενόταν, οι δυνάμεις διέφεραν ανάλογα με την απόσταση μεταξύ των δύο ατόμων∙ αλλά, κάποιες φορές, οι δυνάμεις ήταν αρκετά πιο έντονες από όσο είχε θεωρητικά υπολογιστεί∙ Αυτά τα ευρήματα δημοσιεύονται από τη διεθνή ομάδα ερευνητών στο Nature Communications.
Οι δυνάμεις van der Waals δημιουργούνται μεταξύ μη πολικών ατόμων και μορίων. Αν και είναι πολύ αμυδρές σε σχέση με τους χημικούς δεσμούς, είναι από τη φύση τους ιδιαίτερα σημαντικές. Διαδραματίζουν σπουδαίο ρόλο στη συνεκτικότητα, τη συνάφεια, την τριβή ή την υγροποίηση ενός αερίου και είναι, για παράδειγμα, απαραίτητες για να σκαρφαλώνει μια μικρή σαύρα.
Οι σχέσεις van der Waals προκύπτουν από προσωρινή ανακατανομή των ηλεκτρονίων στα άτομα και τα μόρια. Αυτή οδηγεί στην ευκαιριακή δημιουργία δίπολων, τα οποία με τη σειρά τους προκαλούν ανακατανομή των ηλεκτρονίων στα γειτονικά μόρια. Λόγω της δημιουργίας δίπολων, τα δύο μόρια οδηγούνται σε αμοιβαία έλξη, που ονομάζεται σχέση van der Waals. Αυτή, όμως, είναι προσωρινή μόνο και αναμορφώνεται συνέχεια. Οι ατομικές δυνάμεις είναι οι πιο αμυδρές που παρατηρούνται στη φύση, αλλά προστίθενται μεταξύ τους σε μεγέθη που μπορούμε να αντιληφθούμε ξεκάθαρα στη μακροσκοπική κλίμακα –όπως στο παράδειγμα της σαύρας.
Σταθερά μέσα στο νανοδοχείο
Για να μετρήσουν τις δυνάμεις van der Waals, οι επιστήμονες στη Βασιλεία χρησιμοποίησαν ένα μικροσκόπιο ατομικών δυνάμεων, σε χαμηλή θερμοκρασία, με ένα μόνο άτομο ξένου στην άκρη. Έπειτα σταθεροποίησαν τα ξεχωριστά άτομα αργού, κρυπτού και ξένου σε ένα μοριακό πλέγμα. Αυτό το πλέγμα, που οργανώνεται μόνο του κάτω από κάποιες πειραματικές συνθήκες, περιέχει τα λεγόμενα νανοδοχεία από άτομα χαλκού στα οποία τα άτομα των ευγενών αερίων στέκονται στη θέση τους σαν τα αβγά ενός πουλιού. Μόνο με αυτήν την πειραματική ρύθμιση είναι δυνατόν να μετρήσουμε τις μικροσκοπικές δυνάμεις μεταξύ της άκρης του μικροσκοπίου και του ατόμου του ευγενούς αερίου, καθώς μια καθαρά μεταλλική επιφάνεια θα επέτρεπε στα άτομα των ευγενών αερίων να γλιστρούν.
Σε σύγκριση με τη θεωρία
Οι ερευνητές σύγκριναν τις δυνάμεις που μετρήθηκαν με τους υπολογισμούς τους και έκαναν γραφική παράσταση. Όπως ήταν αναμενόμενο από τους θεωρητικούς υπολογισμούς, οι δυνάμεις που μετρήθηκαν έπεσαν δραματικά όσο αυξήθηκε η απόσταση. Ενώ υπήρχε συμφωνία μεταξύ των μετρημένων και των υπολογισμένων καμπυλών για όλα τα ευγενή αέρια που αναλύθηκαν, οι απόλυτες τιμές των μετρημένων δυνάμεων ήταν υψηλότερες από εκείνες που αναμένονταν βάσει των υπολογισμών σύμφωνα με το καθιερωμένο πρότυπο. Ειδικά για το ξένο, οι δυνάμεις που μετρήθηκαν ήταν σχεδόν διπλάσιες από τα νούμερα που είχαν υπολογιστεί.
Οι επιστήμονες εργάζονται πάνω στην υπόθεση ότι, ακόμα και στα ευγενή αέρια, γίνεται μεταφορά φορτίου και δημιουργούνται σποραδικά αδύναμοι μοριακοί δεσμοί, οι οποίοι θα εξηγούσαν την παρουσία των υψηλότερων τιμών.
Η διεθνής ομάδα επιστημόνων από την Ελβετία, την Ιαπωνία, τη Φινλανδία, τη Σουηδία και τη Γερμανία, χρησιμοποίησε την προαναφερθείσα πειραματική ρύθμιση για να μετρήσει τις μικρότερες ανιχνεύσιμες δυνάμεις μεταξύ ατόμων. Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές έχουν δείξει ότι ακόμα μπορούν να προχωρούν σε νέους τομείς χρησιμοποιώντας το μικροσκόπιο ατομικών δυνάμεων, που σχεδιάστηκε πριν από ακριβώς 30 χρόνια.
