Премерете силата на Ван дер Ваалс

С увеличаването на молекулния размер силата се увеличава по-силно, отколкото се смяташе досега

Силата на Van der Waals придържа гекона към стената - той действа между наноструктурите на пръстите на краката му и повърхността. © обществено достояние
чете на глас

Той държи гекона на стената и оформя поведението на молекулите: Силата на ван дер Ваал е едно от основните взаимодействия на материята - но нейната точна сила е трудна за измерване. Германските физици това все още се постигат. Техният експеримент показва, че силите не само се увеличават с размера на молекулата, но и се увеличават непропорционално, както съобщават в списание „Nature Communications“.

Преди около 150 години холандският физик Йоханес фон дер Ваалс изследва поведението на различни молекули, когато направи откритие: Той откри, че не само заредените молекули се привличат взаимно, но и неутралните атоми и молекули. Тайнствена сила очевидно е причинила молекулите да се прилепват към повърхности, свързвайки неполярни въглеводороди и прегъвайки протеини в сложни структури.

Наричан след откривателя им Van der Waals, силата също влияе върху агрегатните състояния на веществата и стои зад невероятната адхезия на Geckos, която дори може да се изкачи по гладка стена благодарение на тези сили. Но колко силна е тази сила и как тя се променя в зависимост от размера и разстоянието на молекулата, беше трудно да се измери.

Измерване на сила с настройка на вилицата

Кристиян Вагнер от Forschungszentrum Jülich и неговите колеги успяха да измерят неуловимата сила по-точно и всеобхватно, отколкото е възможно преди. За целта първоначално са депозирали сложни органични въглеродни съединения върху метална повърхност - тук Ван дер Ваал сили са ефективни. Другият край беше прикрепен към върха на микроскоп с атомна сила.

Върхът на микроскопа не стои неподвижно, но се колебае много бързо като мъничка тунинг вилица - дори ако молекулата виси от края му. Тези движения се записват от вибрационен датчик. Сега, ако молекулите се отделят от повърхността, тогава силите на ван дер Ваалс намаляват с увеличаване на разстоянието от повърхността. В резултат на това състоянието на молекулите и следователно честотата на трептенията на върха на микроскопа се променя. Това от своя страна позволява заключения относно силите на ван дер Ваал. показ

Силата на ван дер Ваал се увеличава нелинейно с увеличаване на молекулния размер. Изследователски център J lich

Изненадайте с по-големи молекули

"Използвайки нашия метод, успяхме да определим силата на ван дер Ваал за отделни молекули непрекъснато на по-голямо разстояние", съобщава Вагнер. Както се оказа, силата намалява с куба на разстоянието това се предвижда и от теоретичните модели. Защото за ван дер Ваалс е характерно, че тя има само изключително малък обхват.

Но имаше и изненади, защото привличането се увеличи, както се очакваше за по-големи молекули, но повече, отколкото се смяташе досега. "Като правило се добавя само взаимодействието на всички участващи атоми", обяснява физикът. "Но силите на ван дер Ваалс, които сме измерили, нарастват с около десет процента."

Повече атракция с по-големи електронни облаци

Причината за свръхпропорционалното увеличение: Силата на Ван дер Ваалс, простичко казано, се дължи на факта, че електроните в обвивката на атомите и молекулите се изместват. Това води до слабо електрическо привличане. По-големите молекули обаче не включват само повече атоми, тъй като всяка от тях се състои от повече атоми. Всеки атом също дава по-силен принос.

"Тъй като големите органични молекули често образуват електронни облаци, които обхващат цялата молекула, те предлагат на електроните значително по-голяма свобода на движение от един атом", обяснява той Ръководител на младшата изследователска група Руслан Темиров. Ето защо те се движат по-лесно, което увеличава електрическото привличане непропорционално.

Както обясняват изследователите, тези измервания на силата на Ван дер Ваал ще допринесат за подобряване на моделите на основните структурни, електронни и оптични свойства на молекулите и твърдите вещества. За тях тези взаимодействия играят важна роля. (Nature Communications, 2014; doi: 10.1038 / ncomm6568)

(Forschungszentrum J lich, 26.11.2014 - НПО)