Хотя сила Ван-дер-Ваальса была открыта около 150 лет назад, ее все еще сложно определить количественно при прогнозировании поведения твердых тел, жидкостей и молекул. До сих пор точные измерения были возможны только для отдельных атомов или макроскопических объектов. Однако силы Ван-дер-Ваальса особенно важны при промежуточном размере, где они решающим образом определяют поведение сложных молекул, таких как биомолекулы и белки. Они также отвечают за функционирование определенных клеев и являются причиной того, что гекконы могут так удивительно хорошо прилипать к поверхностям, даже позволяя им лазать по гладким стенам.
«Используя наш метод, мы впервые определили силу Ван-дер-Ваальса для одиночных молекул на больших расстояниях», — говорит д-р. Кристиан Вагнер.
Измеренные значения согласуются с теоретическими предсказаниями, согласно которым сила связи уменьшается пропорционально кубу расстояния, что объясняет чрезвычайно малый диапазон взаимодействия. Также было обнаружено, что чем крупнее молекула, тем сильнее ее притяжение к поверхности. На самом деле этот эффект даже сильнее, чем предсказывают простые модели, а также чем можно было бы интуитивно предположить. "Обычно складывается только взаимодействие всех задействованных атомов. Но силы Ван-дер-Ваальса, которые мы измерили, на 10% выше, чем это, — говорит физик из Института Питера Грюнберга Юлиха.
Больше места для маневра ведет к более прочным связям
В чем причина сверхлинейного увеличения?
Сила Ван-дер-Ваальса, проще говоря, возникает из-за смещения электронов в оболочках атомов и молекул, вызванного квантовыми флуктуациями, что приводит к слабому электрическому притяжению. В случае более крупных молекул задействовано больше атомов, поскольку каждая из этих молекул также содержит больше атомов. И, кроме того, каждый атом вносит более сильный вклад.
«Поскольку большие органические молекулы часто образуют электронные облака, которые простираются по всей молекуле, они предоставляют электронам значительно больше пространства для маневра, чем отдельный атом», — говорит глава группы молодых исследователей в Юлихе, доктор медицинских наук.
Руслан Темиров. "Это облегчает их перемещение, что непропорционально увеличивает электрическое притяжение."
Измерение силы с помощью камертона
Для измерений ученые прикрепили сложные органические углеродные соединения, которые они прикрепили к металлической поверхности, на наконечник атомно-силового микроскопа. Они, в свою очередь, прикрепили этот наконечник к датчику вибрации, так что наконечник быстро перемещался вперед и назад, как крошечный камертон.
Когда молекулы удаляются с поверхности, эта частота колебаний изменяется, что позволяет сделать выводы относительно сил Ван-дер-Ваальса, даже если острие отодвинуто на несколько длин молекул (прибл. 4 нанометра) от поверхности.
Полученные значения особенно интересны для имитационных расчетов с использованием теории функционала плотности, за разработку которой в 1998 г. была присуждена Нобелевская премия. Сегодня этот метод является наиболее часто используемым методом для расчета структурных, электронных и оптических свойств молекул и твердых тел.
Несмотря на множество преимуществ, у него все еще есть проблемы с правильным предсказанием сил Ван-дер-Ваальса.