Группа ученых из швейцарского Института нанотехнологий (Swiss Nanoscience Institute) и университета Базеля (University of Basel) провели эксперимент, в ходе которого ими впервые в истории были измерены значения сил Ван-дер-Ваальса, сил, возникающих при взаимодействии отдельных атомов. Согласно полученным результатам, величина этих сил изменялась пропорционально расстоянию между атомами, но в некоторых случаях величина этих сил в несколько раз превышала ожидаемые значения, полученные при помощи теоретических расчетов.
Силы Ван-дер-Ваальса (Van der Waals forces) возникают при сближении неполярных атомов или молекул. По сравнению с силами химических связей они очень слабы, тем не менее, они играют очень важную роль в окружающем нас мире. Эти силы являются силами, определяющими такие явления, как трение, прилипание, а наглядным примером практического использования сил Ван-дер-Ваальса является геккон, живое существо, способное с легкостью бегать по потолку и вертикальным поверхностям.
Силы Ван-дер-Ваальса возникают в результате одноименного взаимодействия, временного перераспределения электронов в атомах или молекулах при их сближении. Взаимодействие приводит к возникновению диполей, которые притягиваются друг к другу. Сила притяжения отдельных молекул или атомов очень мала, но когда вместе складываются миллионы и миллиарды взаимодействий, это приводит к возникновению силы, воздействие которой проявляется даже в макроскопическом масштабе.
Для измерения сил Ван-дер-Ваальса ученые использовали низкотемпературный атомно-силовой микроскоп, на наконечнике которого был закреплен единственный атом ксенона. Отдельные атомы аргона, криптона и ксенона были помещены в ловушку атомарной сети, сети атомов меди, которая при определенных условиях способна удерживать на своей поверхности атомы благородных газов. Эта сеть с удерживаемыми атомами газов была помещена в рабочую область атомно-силового микроскопа, движение наконечника которого позволило измерить слабые силы Ван-дер-Ваальса.
Измеренные значения сил Ван-дер-Ваальса были выражены в виде графиков и сравнены с расчетными теоретическими значениями. В полном соответствии с теорией величина сил резко уменьшалась при увеличении расстояния между атомами, а формы экспериментальных и расчетных графиков совпадали в большей степени. Однако, в случае атомов криптона и атомов некоторых других элементов, реальные силы Ван-дер-Ваальса оказались минимум в два раза больше, чем расчетные величины.
Ученые объясняют различия между экспериментом и теорией тем, что даже в случае инертных газов иногда происходит не перераспределение, а передача электрического заряда (электрона) от одного атома к другому. При этом возникают слабые ковалентные связи, которые в несколько раз более сильны, нежели силы Ван-дер-Ваальса.
И в заключение следует отметить, что силы Ван-дер-Ваальса являются одними из самых слабых сил, значение которых были измерены учеными за всю историю науки. А полученные результаты и сделанные на их основании выводы позволят ученым лучше понять поведение атомов в определенных физических условиях, поведение, экзотические особенности которого можно будет в будущем поставить на службу людям.
