Технологии

University of Basel, Department of Physics

В чем сила, Ван-дер-Ваальс?

Ученые впервые измерили силу Ван-дер-Ваальса между атомами

Павел Котляр

Физики впервые измерили микроскопические силы Ван-дер-Ваальса, действующие между отдельными атомами. Именно эти силы позволяют гекконам лазать по стеклу, а водомеркам — бегать по водной глади.

Физики из Университета Базеля и швейцарского Института нанотехнологий впервые в мире измерили микроскопические силы, возникающие между соседними атомами и молекулами. Те, у кого остались воспоминания о школьном курсе физики, могут припомнить словосочетание «силы Ван-дер-Ваальса».

Силы эти возникают между отдельными атомами и потому настолько малы, что даже в макромире проявление этого тонкого феномена встретишь нечасто. Однако именно этими силами физики объясняют ряд эффектов, с которыми приходится встречаться в повседневной жизни.

Ярким проявлением этого эффекта является способность гекконов передвигаться по вертикальной или даже опрокинутой стеклянной поверхности.

Подушечки их лапок покрыты десятками тысяч тончайших волосков (диаметр каждого около 200 нм), которые значительно увеличивают количество контактов лапки с поверхностью. Это и позволяет слабым силам межмолекулярного взаимодействия (силам Ван-дер-Ваальса) удерживать животное на поверхности.

Эти же силы заставляют слипаться два куска стекла, если их прислонить один к другому, по той же причине прилипают к различным предметам микроскопические блестки-глиттеры, благодаря им существует такое сложное явление, как силы поверхностного натяжения, позволяющие предметам держаться на поверхности воды и существовать мыльным пузырям.

В основе ван-дер-ваальсовых сил лежит кулоновское взаимодействие между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой. На определенном расстоянии между ними силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая система.

И хотя на уровне макроскопических объектов оценить силу прилипания не составляет технической проблемы, измерить ее на масштабах двух соседних атомов до последнего времени не удавалось, поскольку эти силы относятся к одним из самых слабых взаимодействий в природе.

Чтобы решить эту техническую задачу, ученые использовали низкотемпературный атомно-силовой микроскоп — прибор, используемый, например, для определения рельефа материала с пространственным разрешением вплоть до атомарного.

В основе таких микроскопов лежит специальная наноразмерная игла, которая отклоняется, взаимодействуя с изучаемой поверхностью.

Физики поместили на острие иглы один атом ксенона, а три другие атома — аргона, криптона и ксенона — разместили в ячейках специальной сетки из меди. Это было сделано, чтобы атомы благородных газов могли свободно двигаться внутри металлических ячеек и ученые могли измерить величину отклонения иглы.

«Мы измерили ван-дер-ваальсовское взаимодействие внутри пар атомов Ar – Xe, Kr – Xe и Xe – Xe при помощи иглы атомно-силового микроскопа с установленным на ней атомом ксенона при низкой температуре», — рассказали авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Communications.

Эксперимент показал, что сила взаимодействия растет с увеличением размеров молекулы, закрепленной на подложке. Из теории известно, что силы эти резко падают при увеличении расстояния между атомами, будучи пропорциональны r-6.

Иначе говоря, при увеличении расстояния между атомами в два раза сила притяжения между ними падает в 64 раза.

Результаты измерений показали, что формы реальных потенциалов хорошо описываются этой кривой, однако абсолютные величины силы превышают теоретические расчеты. Так, в паре ксенон – ксенон сила Ван-дер-Ваальса оказалась в два раза выше расчетной.

Ученые считают, что это связано с тем, что даже в случае инертных газов между атомами образуются ковалентные связи, которые обеспечивают дополнительное притяжение. Эксперимент показал, что современные технологии способны продвинуть использование атомно-силовых микроскопов, первые из которых появились еще 30 лет назад.