Πρώτη μέτρηση των δυνάμεων Βαν ντερ Βάαλς μεταξύ ατόμων

Χρησιμοποιώντας ένα είδος μικροσκοπίου που φέρει στο άκρο του ένα μεμονωμένο άτομο ευγενούς αερίου, διεθνής ομάδα φυσικών κατάφεραν να μετρήσουν τις εξαιρετικά ασθενείς δυνάμεις Βαν ντερ Βάαλς που παίζουν θεμελιώδη ρόλο στη Χημεία.

Τι κάνουν
Οι ελκτικές ή απωστικές δυνάμεις Βαν ντερ Βάαλς εμφανίζονται ανάμεσα σε μη πολικά άτομα ή μόρια τα οποία δεν μπορούν να δημιουργήσουν ισχυρούς ιοντικούς ή ομοιοπολικούς δεσμούς. Οι δυνάμεις αυτές εμφανίζονται λόγω παροδικών ανισορροπιών στην κατανομή των ηλεκτρονίων: όταν το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων τύχει να συγκεντρωθεί στη μία πλευρά του ατόμου ή μορίου σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό δίπολο, το οποίο με τη σειρά του αναγκάζει γειτονικά μόρια ή άτομα να γίνουν κι αυτά δίπολα, έστω και στιγμιαία. Ο θετικός πόλος του ενός ατόμου έλκεται με τον αρνητικό πόλο των γειτόνων του, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται δυνάμεις Βαν ντερ Βαλς που υπάρχουν μόνο στιγμιαία αλλά συνεχώς αναδημιουργούνται.

Αν και είναι εξαιρετικά ασθενείς, οι δυνάμεις αυτές παίζουν σημαντικό ρόλο σε φαινόμενα όπως η τριβή και η προσκόλληση και μεταξύ άλλων επιτρέπουν στα σαμιαμίδια να σκαρφαλώνουν σε τοίχους. Προκειμένου να πραγματοποιήσει την πρώτη μέτρηση των δυνάμεων Βαν ντερ Βάαλς ανάμεσα σε μεμονωμένα άτομα, η διεθνής ομάδα χρησιμοποίησε ένα «μικροσκόπιο ατομικής δύναμης», το οποίο ουσιαστικά χαρτογραφεί το δείγμα μετρώντας τις μετατοπίσεις μιας εξαιρετικά μικρής ακίδας που σέρνεται πάνω στο δείγμα.

Το πείραμα
Στη συγκεκριμένη περίπτωση είχε τοποθετηθεί στο άκρο της ακίδας ένα μεμονωμένο άτομο του ευγενούς αερίου ξένου. Το δείγμα που εξετάστηκε ήταν άτομα ξένου, αργού και κρυπτού τα οποία είχαν πρώτα «αιχμαλωτιστεί» μέσα σε κλουβιά από άτομα χαλκού στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας στην Ελβετία.

Η πειραματική διάταξη επέτρεψε στους ερευνητές να μετρήσουν τις δυνάμεις Βαν ντερ Βάαλς που αναπτύσσονταν ανάμεσα στο άτομο ξένου της ακίδας και τα άτομα του δείγματος. Όπως αναφέρουν οι ερευνητές στην επιθεώρηση «Nature Communications», οι δυνάμεις που μετρήθηκαν μειώνονταν απότομα όταν αυξανόταν η απόσταση ανάμεσα στην ακίδα και το δείγμα, ακριβώς όπως θα περίμενε κανείς με βάσει τους θεωρητικούς υπολογισμούς.

Το εντυπωσιακό όμως είναι ότι σε αρκετές περιπτώσεις οι δυνάμεις που μετρήθηκαν ήταν έως και δύο φορές ισχυρότερες από ό,τι είχαν δείξει οι θεωρητικοί υπολογισμοί. Οι ερευνητές, πάντως, δεν πιστεύουν ότι η θεωρία για τις δυνάμεις Βαν ντερ Βάαλς είναι λανθασμένη. Το πιθανότερο, λένε, είναι ότι ακόμα και στα ευγενή αέρια υπάρχουν στιγμιαίες μεταφορές φορτίων, οι οποίες επιτρέπουν το σχηματισμό παροδικών και ασθενών ομοιοπολικών δεσμών. Αυτό θα εξηγούσε τις υψηλότερες τιμές που καταγράφηκαν στο πείραμα, χωρίς όμως να έχει αποδειχθεί.