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Van-der-Waals-Kräfte einzelner Atome vermessen

Terahertz-KalorimetrieWie sich Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

Hat Idee des Terahertz-Kalorimeters realisiert: Martina Havenith

Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie Veränderungen in der Energie und Struktur von Wassermolekülen in der Umgebung gelöster Moleküle erfassen können. 

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Van-der-Waals-WechselwirkungErstmals Van-der-Waals-Kräfte einzelner Atome vermessen

Physiker des Swiss Nanoscience Institutes und der Universität Basel ist es erstmals gelungen, die sehr schwachen Van-der-Waals-Kräfte zwischen einzelnen Atomen zu messen. Dazu fixierten sie einzelne Edelgasatome in einem molekularen Netzwerk und ermittelten die Wechselwirkungen mit einem einzelnen Xenonatom, das sie an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops positioniert hatten.

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Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskop

Die Kräfte waren wie erwartet abhängig vom Abstand der beiden Atome, jedoch teilweise deutlich größer als theoretisch berechnet. Dies berichtet das internationale Forscherteam in „Nature Communications“.

Van-der-Waals-Kräfte wirken zwischen unpolaren Atomen und Molekülen. Obwohl sie im Vergleich zu chemischen Bindungen sehr schwach sind, spielen sie in der Natur eine große Rolle. Sie sind wichtig für alle Prozesse, die mit Haftung, Adhäsion, Reibung oder Kondensation zu tun haben und sind beispielsweise ausschlaggebend für die Kletterkünste von Geckos.

Van-der-Waals-Wechselwirkungen entstehen durch eine temporäre Umverteilung von Elektronen in den Atomen und Molekülen. Es kommt dadurch zur zeitweisen Bildung von Dipolen, die wiederum eine Umverteilung von Elektronen in eng benachbarten Molekülen hervorrufen. Zwischen den Molekülen kommt es durch die Bildung der Dipole zu einer Anziehung, die als Van-der-Waals-Wechselwirkung bezeichnet wird. Sie existiert nur temporär, bildet sich aber immer wieder neu. Die einzelnen Kräfte sind die schwächsten Bindungskräfte, die es in der Natur gibt. Die Kräfte summieren sich aber und erreichen so auf einer makroskopischen Skala Größen, die wir – wie beim Beispiel vom Gecko – sehr deutlich wahrnehmen können.

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Im Nanomessbecher fixiert
Um die Van-der-Waals-Kräfte zu messen, nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Basel ein Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskop mit einem einzelnen Xenonatom an der Spitze. Sie fixierten dann einzelne Argon-, Krypton- und Xenonatome in einem molekularen Netzwerk. Dieses Netzwerk, das sich unter bestimmten Versuchsbedingungen selbst organisiert, enthält sogenannte Nanomessbecher aus Kupferatomen, in denen die Edelgasatome festgehalten werden. Erst mit diesem Versuchsaufbau ist es möglich, die winzigen Kräfte zwischen Mikroskopspitze und Edelgasatom zu messen, da die Edelgasatome auf einer reinen Metalloberfläche hin und her gleiten würden.

Mit Theorie verglichen
Die gemessenen Kräfte wurden von den Forschern mit rechnerisch ermittelten Werten verglichen und grafisch dargestellt. Wie nach der Theorie erwartet, nahmen die gemessenen Kräfte mit zunehmendem Abstand der Atome voneinander drastisch ab. Während der Kurvenverlauf von Messung und Rechnung für alle untersuchten Edelgase gut übereinstimmte, waren die absoluten gemessenen Kräfte jedoch größer als nach dem Standardmodell rechnerisch erwartet worden war. Vor allem für Xenon waren die gemessenen Kräfte bis zu doppelt so groß als die rechnerisch ermittelten Werten.

Die Wissenschaftler nehmen an, dass es auch bei den Edelgasen zu einem Austausch von Elektronen und damit hin und wieder zur Ausbildung von schwachen, kovalenten Bindungen kommt, was die höheren Werte erklären würde.

Das internationale Wissenschaftlerteam aus der Schweiz, Japan, Finnland, Schweden und Deutschland hat mit dem vorgestellten Set-up die kleinsten je ermittelten Kräfte zwischen einzelnen Atomen experimentell gemessen. Die Forscher haben damit gezeigt, dass sie mit der vor genau 30 Jahren entwickelten Rasterkraftmikroskopie immer noch in neue Bereiche vorstoßen können.

Originalartikel:
Shigeki Kawai, Adam S. Foster, Torbjörn Björkman, Sylwia Nowakowska, Jonas Björk, Filippo Federici Canova, Lutz H. Gade, Thomas A. Jung, and Ernst Meyer: Van der Waals interactions and the limits of isolated atom models at interfaces. Nature Communications (2016), DOI: 10.1038/ncomms11559.

Weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Ernst Meyer
Universität Basel, Departement Physik / Swiss Nanoscience Institute
E-Mail: ernst.meyer@unibas.ch

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