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.
Графики измерений
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.
