Come le forze gravitazionali responsabili dell'attrazione tra la Terra e la luna, così come la dinamica dell'intero sistema solare, esistono forze attrattive tra gli oggetti su scala nanometrica.

Queste sono le cosiddette forze di van der Waals, che sono onnipresenti in natura e che si pensa svolgano un ruolo cruciale nel determinare la struttura, stabilità e funzione di un'ampia varietà di sistemi in tutti i campi della biologia, chimica, fisica e scienza dei materiali.

"Per dirla semplicemente, ogni sistema molecolare e ogni materiale in natura sperimenta queste forze, " ha detto Robert A. DiStasio Jr., assistente professore di chimica e biologia chimica presso il College of Arts and Sciences. "Infatti, stiamo scoprendo che la loro influenza è piuttosto ampia, e include interazioni proteina-farmaco, la stabilità della doppia elica del DNA, e anche le peculiari proprietà di adesione del piede del geco."

Se confrontato con il legame covalente (che comporta la condivisione di coppie di elettroni tra atomi), Le forze di van der Waals sono relativamente deboli e derivano da interazioni elettrostatiche istantanee tra le nuvole di elettroni fluttuanti che circondano gli oggetti microscopici. Però, queste forze sono ancora di origine quantomeccanica e fino ad oggi hanno rappresentato una sfida sostanziale sia per la teoria che per l'esperimento.

In un articolo nel numero dell'11 marzo di Scienza , DiStasio e il collaboratore Alexandre Tkatchenko dell'Università del Lussemburgo e del Fritz Haber Institute hanno presentato una nuova proposta per descrivere le forze di van der Waals tra gli oggetti su scala nanometrica.

Parlando in generale, ci sono due scuole di pensiero riguardo a queste forze. La descrizione prevalente delle interazioni di van der Waals tra la maggior parte dei chimici e dei biologi è l'immagine di due dipoli elettrici indotti, simile ai poli N e S di un magnete, che rappresentano le distribuzioni irregolari di cariche positive e negative. L'immagine sposata da molti fisici, però, si concentra sul fatto che le fluttuazioni del vuoto simili a onde sono responsabili delle interazioni di van der Waals tra oggetti macroscopici più grandi.

Nel loro lavoro, DiStasio e Tkatchenko dimostrano che queste forze fondamentali tra le nanostrutture devono essere descritte anche dalle interazioni elettrostatiche tra fluttuazioni di densità di carica simili a onde (o delocalizzate) invece dei suddetti dipoli indotti simili a particelle (o locali). Credono che il loro lavoro possa aiutare a colmare il divario tra questi due sistemi di credenze, e aiutare gli scienziati a comprendere e controllare le interazioni tra gli oggetti su scala nanometrica.

"Il nostro lavoro sta dimostrando che esiste una varietà molto più ampia di sistemi, come i sistemi nanostrutturati, dove devi pensare alla forza di van der Waals in termini di interazioni tra onde invece che interazioni tra particelle, ", ha detto Tkatchenko.

Paul McEuen, il John A. Newman Professor of Physical Science e direttore del Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, vede la ricerca del duo come un primo importante passo di un lungo, viaggio complicato verso quella che McEuen definì scherzando come "biologia risolutiva".

"Sembra un problema piuttosto noioso, ma in realtà è un problema profondamente importante, il modo in cui le biomolecole si assemblano e così via, " ha detto McEuen. "È un problema estremamente importante, soprattutto per uno come me, chi è un nano-ragazzo, ma ci vorrà tempo per risolverlo".

McEuen è entusiasta del lavoro, e ha detto che lui e DiStasio si aspettano di collaborare a ricerche correlate in futuro.

"Questo lavoro fornisce un quadro concettuale, o linguaggio comune, che i biologi, chimici, fisici e scienziati dei materiali possono utilizzare per descrivere le forze di van der Waals su scala nanometrica, " DiStasio ha detto. "Fornisce anche un quadro computazionale per prevedere con precisione come queste interazioni onnipresenti influenzano le proprietà fisiche e chimiche della materia".