Физики впервые измерили Ван-дер-ваальсово притяжение индивидуальных атомов

Швейцарские физики из Университета Базеля впервые измерили силы Ван-дер-Ваальса в индивидуальных атомах инертных газов. Сделать это удалось за счет использования особых «атомных гнезд», которые были построены на основе меди и специальных органических веществ. Статья ученых опубликована в журнале Nature Communications.

Эксперимент проводился следующим образом. На подложку в атомно-силовом микроскопе авторы наносили органическое вещество, которое образует шестигранную сеть, с закрепленными в узлах атомами меди. Они контактировали друг с другом и формировали треугольник-гнездо, в которое мог сесть атом инертного газа. В атомно-силовом микроскопе есть игла-кантилевер, на кончике которой также закреплялся атом инертного газа. Затем, двигая иглой, ученые измеряли силу взаимодействия иглы с поверхностью.

Из этого взаимодействия и рассчитывалась сила взаимодействия двух атомов инертных газов — того, что был на подложке и того, что был на игле. Поскольку инертные газы не имеют ни свободных валентностей, ни зарядов, все взаимодействие между ними сводится к силам Ван-дер-Ваальса. В эксперименте ученые использовали пары аргон-ксенон, криптон-ксенон и ксенон-ксенон.

К удивлению ученых оказалось, что теоретическое моделирование сильно занижало энергию связи между атомами. В реальном эксперименте атомы инертных газов притягивались гораздо сильнее, чем в теории, иногда — вдвое. По мнению авторов, это может быть связано с эффектом адсорбции на подложке — она может вызывать перераспределение зарядов в атоме инертного газа, что, потенциально, способно увеличить силу взаимодействия Ван-дер-Ваальса и приблизить его к ковалентному.

Силы Ван-дер-Ваальса являются самыми слабыми из всех химических связей. Тем не менее, они имеют большое значение, так как образуются между любыми атомами и не требуют наличия у них зарядов или свободных валентностей. Силами Ван-дер-Ваальса, например, объясняется твердость пластика. В полиэтилене индивидуальные атомы притягиваются друг к другу только за счет очень слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий, зато их число настолько велико, что суммарно способно превратить вещество в твердое тело. Молекулы полимера напоминают при этом что-то вроде застежки-молнии, которую держат сотни слабых звеньев.

Александр Ершов

.