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Samstag, 10.12.2016
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Van-der-Waals-Kräfte zwischen einzelnen Atomen gemessen

Forschern gelingt Minimalrekord

Sie wirkt zwischen Atomen und Molekülen und gehört zu den fundamentalen Wechselwirkungen der Materie: die Van-der-Waals-Kraft. Forschern ist es nun erstmals gelungen, diese kleinsten je ermittelten Kräfte zwischen einzelnen Atomen experimentell zu messen. Möglich gemacht hat den Minimalrekord die vor bereits 30 Jahren entwickelte Rasterkraftmikroskopie, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin "Nature Communications" berichten.
Der Gecko klebt dank der Van-der-Waals-Kraft an der Wand - sie wirkt zwischen Atomen und Molekülen.

Der Gecko klebt dank der Van-der-Waals-Kraft an der Wand - sie wirkt zwischen Atomen und Molekülen.

Die Van-der-Waals Kräfte sind das Geheimnis hinter den Kletterkünsten von Geckos und wichtig für alles, was mit Haftung, Adhäsion, Reibung oder Kondensation zu tun hat. So deutlich wie etwa bei der Haftkraft von Gecko-Füßen werden sie allerdings nur in der Summe, denn im Vergleich zu chemischen Bindungen sind die Van-der-Waals-Wechselwirkungen sehr schwach: Die einzelnen Bindungskräfte sind die schwächsten, die es in der Natur gibt.

Sie entstehen durch eine kurzzeitige Umverteilung von Elektronen in Atomen und Molekülen. Dabei kommt es zu einer temporären Bildung von Bereichen unterschiedlicher Ladung. Diese Dipole rufen dann wiederum eine Umverteilung von Elektronen in eng benachbarten Molekülen hervor. So kommt es schließlich zu den Anziehungskräften, die man als Van-der-Waals-Wechselwirkung bezeichnet. Forschern ist es nun erstmals gelungen, diese Kräfte zwischen einzelnen Atomen zu messen.

Forschung buchstäblich auf die Spitze getrieben


Die Forscher konnten unter anderem die Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen zwei Xenonatomen (blau) quantitativ messen

Die Forscher konnten unter anderem die Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen zwei Xenonatomen (blau) quantitativ messen

Um die Van-der-Waals-Kräfte auf ihre kleinsten Bestandteile herunterzubrechen, nutzten die Wissenschaftler um Shigeki Kawai von der Universität Basel ein Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskop mit einem einzelnen Xenonatom an der Spitze. Dieses Atom näherten sie an ein Netzwerk aus Argon-, Krypton- und Xenon-Atomen an.


Diese Edelgasatome wurden durch sogenannte Nanomessbecher aus Kupferatomen festgehalten. Das Konzept verhinderte, dass die Edelgasatome verrutschten. So war es schließlich möglich, die feinen Kräfte zwischen Mikroskopspitze und einzelnen Edelgasatomen zu erfassen, erklären die Wissenschaftler.

Wie zu erwarten war, nahmen die gemessenen Kräfte mit zunehmendem Abstand der Atome voneinander stark ab. Allerdings war dieser Effekt teilweise deutlich größer als theoretisch berechnet. Vor allem für Xenon waren die gemessenen Kräfte bis zu doppelt so groß wie die rechnerisch ermittelten Werten. Den Forschern zufolge ist eine mögliche Erklärung, dass es auch bei Edelgasen zu einem Austausch von Elektronen kommen kann. So könnten Bindungs-verstärkende Effekte entstehen.

Minimalrekord erzielt


Die Wissenschaftler haben mit den Ergebnissen nun einen markanten Rekord erzielt: Sie haben die kleinsten je ermittelten Kräfte zwischen einzelnen Atomen experimentell gemessen. Durch ihr Verfahren haben sie außerdem gezeigt, dass man mit der vor nun genau 30 Jahren entwickelten Rasterkraftmikroskopie immer noch in neue Bereiche vorstoßen kann, betont die Universität Basel in einer Mitteilung. (Nature Communications, 2016; doi: 10.1038/ncomms11559)
(Universität Basel, 17.05.2016 - DAL)
 
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