I fisici dello Swiss Nanoscience Institute e dell'Università di Basilea sono riusciti a misurare per la prima volta le forze di van der Waals molto deboli tra i singoli atomi. Per fare questo, hanno fissato singoli atomi di gas nobile all'interno di una rete molecolare e hanno determinato le interazioni con un singolo atomo di xeno che avevano posizionato sulla punta di un microscopio a forza atomica. Come previsto, le forze variavano secondo la distanza tra i due atomi; ma, in alcuni casi, le forze erano parecchie volte più grandi di quanto teoricamente calcolato. Questi risultati sono riportati dal team internazionale di ricercatori in Comunicazioni sulla natura .

Le forze di Van der Waals agiscono tra atomi e molecole non polari. Sebbene siano molto deboli rispetto ai legami chimici, sono di natura estremamente significativa. Svolgono un ruolo importante in tutti i processi relativi alla coesione, adesione, attrito o condensa e sono, Per esempio, essenziale per le abilità di arrampicata di un geco.

Le interazioni di Van der Waals sorgono a causa di una temporanea ridistribuzione degli elettroni negli atomi e nelle molecole. Ciò si traduce nella formazione occasionale di dipoli, che a loro volta inducono una ridistribuzione di elettroni in molecole strettamente vicine. A causa della formazione di dipoli, le due molecole sperimentano un'attrazione reciproca, che viene definita interazione di van der Waals. Questo esiste solo temporaneamente ma viene ripetutamente riformato. Le forze individuali sono le forze vincolanti più deboli che esistono in natura, ma si sommano fino a raggiungere magnitudini che possiamo percepire molto chiaramente su scala macroscopica - come nell'esempio del geco.

Fissato all'interno del nano-becher

Per misurare le forze di van der Waals, gli scienziati di Basilea hanno utilizzato un microscopio a forza atomica a bassa temperatura con un singolo atomo di xeno sulla punta. Hanno quindi fissato l'argon individuale, atomi di cripto e xeno in una rete molecolare. Questa rete, che si auto-organizza in determinate condizioni sperimentali, contiene i cosiddetti nano-bicchieri di atomi di rame in cui gli atomi di gas nobile sono tenuti in posizione come un uovo di uccello. Solo con questa configurazione sperimentale è possibile misurare le minuscole forze tra la punta del microscopio e l'atomo di gas nobile, come una superficie di metallo puro permetterebbe agli atomi di gas nobile di scivolare.

Rispetto alla teoria

I ricercatori hanno confrontato le forze misurate con i valori calcolati e li hanno visualizzati graficamente. Come previsto dai calcoli teorici, le forze misurate diminuivano drasticamente all'aumentare della distanza tra gli atomi. Sebbene vi fosse un buon accordo tra le forme delle curve misurate e calcolate per tutti i gas nobili analizzati, le forze assolute misurate erano maggiori di quanto previsto dai calcoli secondo il modello standard. Soprattutto per lo xeno, le forze misurate erano maggiori dei valori calcolati di un fattore fino a due.

Gli scienziati stanno lavorando sul presupposto che, anche nei gas nobili, avviene il trasferimento di carica e quindi si formano occasionalmente legami covalenti deboli, il che spiegherebbe i valori più alti.

Il team internazionale di scienziati dalla Svizzera, Giappone, Finlandia, Svezia e Germania hanno utilizzato la configurazione sperimentale di cui sopra per misurare le forze più piccole mai rilevate tra i singoli atomi. Così facendo, i ricercatori hanno dimostrato che possono ancora spingersi avanti in nuovi campi usando la microscopia a forza atomica, che è stato sviluppato esattamente 30 anni fa.