В какво е силата, Ван дер Ваалс?

Физици от университета на Базел и швейцарския Институт за нанотехнологии за първи път в света измериха микроскопичните сили, възникващи между съседни атоми и молекули – силите на Ван дер Ваалс.

Тези сили възникват между отделни атоми и затова са толкова малки, че дори в микроскопичния свят този изтънчен феномен не се среща често. Но именно с тези сили физиците обясняват редица ефекти, с които се налага да се срещаме във всекидневния живот.

Ярка проява на този ефект е способността на геконите да се придвижат по вертикална или дори от обратната страна на стъклена повърхност.

Възглавничките на техните лапи са покрити с десетки хиляди фини власинки (всяка с диаметър около 200 нм), които значително увеличават количеството на контактите на лапите с повърхността. Това позволява на слабите сили на взаимодействието между молекулите (сили на Ван дер Ваалс) да задържат животните на повърхността.

Същите тези сили карат две късчета стъкло да се слепват, ако се приближат едно към друго, по същата причина прилепват към различи предмети микроскопичните пайети, благодарение на тях съществува такова сложно явление като силите на повърхностното напрежение, позволяващи на предметите да се държат върху повърхността на водата и да съществуват сапунените мехури.

В основата на силите на Ван дер Ваалс лежи Кулоновото взаимодействие между електроните и ядрата на една молекула и ядрата и електроните на друга. На определено разстояние между тях силите на привличане и отблъскване се уравновесяват и се образува устойчива система.

И макар че на ниво макроскопични обекти оценяването на силите на прилепване не представлява технически проблем, доскоро те не бяха измервани на мащаб два съседни атома, тъй като тези сили се отнасят към едни от най-слабите взаимодействия в природата.

За да решат тази техническа задача, учените използвали нискотемпературен атомно-силов микроскоп – уред, използван например за определяне на релефа на материала от пространствена резолюция чак до атомна.

В основата на тези микроскопи е специална наноразмерна игла, която се отклонява, взаимодействайки с изучаваната повърхност.

Физиците поставили върху острието на иглата един ксенонов атом, а три други атома – аргон, криптон и ксенон – поставили в клетки от специална медна мрежа. Това било направено, за да може атомите на благородните газове да се движат свободно в металните клетки и учените успели да измерят величаната на отклонението на иглата.

„Измерихме взаимодействието на Ван дер Ваалс в двойки атоми Ar–Xe, Kr–Xe и Xe–Xe с помощта на иглата на атомно-силов микроскоп с поставен върху нея ксенонов атом при ниска температура“, разказват авторите на изследването, публикувано в изданието Nature Communications.

Експериментът установил, че силата на взаимодействието расте с увеличаването на размерите на молекулите, поставени на подложката. От теорията е известно, че тези сили спадат рязко при увеличение на разстоянието между атомите, като са пропорционални на r^-6.

Казано с други думи, при увеличаване на разстоянието между атомите два пъти силата на привличане между тях спада 64 пъти.

Според резултатите от измерването формите на реалните потенциали се описват добре с тази крива, но абсолютните величини на силите превишават теоретичните изчисления. Така в двойката ксенон–ксенон силата на Ван дер Ваалс се оказала два пъти по-висока от изчислената.

Учените смятат, че причината е, че дори в случай на инертни газове между атомите се образуват ковалентни връзки, които осигуряват допълнително привличане.