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 Blasen im Pulsarwind schlagen Funken
22.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern
21.11.2017 | Universität Wien

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: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

22.11.2017 | Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bakterien als Schrittmacher des Darms

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Ozeanversauerung schädigt Miesmuscheln im Frühstadium

22.11.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die gefrorenen Küsten der Arktis: Ein Lebensraum schmilzt davon

22.11.2017 | Geowissenschaften