Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Basler Physiker messen erstmals Van-der-Waals-Kräfte einzelner Atome

13.05.2016

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. 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.


Mithilfe eines Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskop mit einem einzelnen Xenonatom an der Spitze werden Van-der-Waals-Wechselwirkungen gemessen.

Universität Basel, Departement Physik

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.

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 Xenon-Atome 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, Tel. +41 61 267 37 24, E-Mail: ernst.meyer@unibas.ch

Weitere Informationen:

https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Basler-Physiker-messen-erstma...

Reto Caluori | Universität Basel

Weitere Berichte zu: Atome Dipole Edelgasatome Elektronen Kupferatomen Van-der-Waals-Kräfte

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht
29.05.2017 | Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

Der steigende Bedarf an schneller, leistungsfähiger Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Verfahren zur verlustarmen und störungsfreien Übermittlung von optischen Informationssignalen. Wissenschaftler der Universität Johannesburg, des Instituts für Angewandte Optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) präsentieren im Fachblatt „Journal of Optics“ eine neue Möglichkeit, glasfaserbasierte und kabellose optische Datenübertragung effizient miteinander zu verbinden.

Dank des Internets können wir in Sekundenbruchteilen mit Menschen rund um den Globus in Kontakt treten. Damit die Kommunikation reibungslos funktioniert,...

Im Focus: Strathclyde-led research develops world's highest gain high-power laser amplifier

The world's highest gain high power laser amplifier - by many orders of magnitude - has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a 'gain'...

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Lebensdauer alternder Brücken - prüfen und vorausschauen

29.05.2017 | Veranstaltungen

49. eucen-Konferenz zum Thema Lebenslanges Lernen an Universitäten

29.05.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz an der Schnittstelle von Literatur, Kultur und Wirtschaft

29.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligente Sensoren mit System

29.05.2017 | Messenachrichten

Geckos kommunizieren überraschend flexibel

29.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

1,5 Millionen Euro für vier neue „Innovative Training Networks” an der Universität Hamburg

29.05.2017 | Förderungen Preise