Fyzici poprvé změřili van der Waalsovy síly jednotlivých atomů  
S pomocí mikroskopu atomárních sil v přelomovém experimentu proměřili síly, které udrží gekony na skle.

 

Van der Waalsovy síly mezi atomem xenonu na hrotu mikroskopu a atomem vzácného plynu v kelímku z atomů mědi. Kredit: University of Basel, Department of Physics.
Van der Waalsovy síly mezi atomem xenonu na hrotu mikroskopu a atomem vzácného plynu v kelímku z atomů mědi. Kredit: University of Basel, Department of Physics.

Síly pojmenované po nizozemském fyzikovi Johannesi Dideriku van der Waalsovi jsou vlastně přitažlivé nebo odpudivé interakce mezi mokulami. Jde o vazby, které vznikají v nepolárních molekulách a jsou slabší než kovalentní vazby, koordinační vazby nebo vodíkové můstky. Přesto jsou van der Waalsovy síly velmi významné. Hrají klíčovou roli ve všemožných kohezích, adhezích, třeních nebo kondenzacích a jsou zodpovědné třeba za magickou přilnavost nožek gekonů k podkladu. Pokud jde o jejich vznik, objevují se v důsledku dočasných změn v rozmístění elektronů v atomech a molekulách.

 

 

Gekon na skle dokazuje působení van der Waalsových sil. Kredit: Steve Evans, Wikimedia Commons.
Gekon na skle dokazuje působení van der Waalsových sil. Kredit: Steve Evans, Wikimedia Commons.

 


Švýcarští fyzici Swiss Nanoscience Institute a University of Basel teď zaznamenali významný úspěch, když poprvé v historii změřili van der Waalsovy síly mezi jednotlivými atomy. Jejich výzkum nedávno publikoval časopis Nature Communications.

 

Dokázali to tak, že zafixovali atom vzácného plynu v síti z molekul a zjišťovali, jaká je jeho interakce s jedním jediným atomem xenonu, umístěném na hrotu mikroskopu atomárních sil. Jak se dalo čekat, van der Waalsovy síly kolísaly podle vzdálenosti mezi studovanými atomy. V některých případech ale byly několikanásobně větší, než předpovídá teorie.
Ve Švýcarsku k měření van der Waalsových sil použili mikroskop atomárních sil, který pracuje při nízkých teplotách. Na hrotu tohoto mikroskopu měli jeden jediný atom xenonu. Pak uspořádali jednotlivé atomy argonu, kryptonu a xenonu do molekulární sítě.

 

Van der Waalsova přitažlivost. Kredit: Benjah-bmm27, Wikimedia Commons.
Van der Waalsova přitažlivost. Kredit: Benjah-bmm27, Wikimedia Commons.

Pozici jednotlivých atomů přitom zajišťovali „nanokelímky“ z atomů mědi, v nichž atomy vzácných plynů spočinuly jako vajíčka v hnízdě. V tomto experimentálním uspořádání pak bylo možné změřit velmi slabé van der Waalsovy síly mezi atomem xenonu na hrotu mikroskopu a zvoleným atomem vzácného plynu v molekulární síti.

 

 

Universität Basel

Naměřené hodnoty badatelé následně porovnali s teoretickými výpočty. Zjistili, že ve shodě s teoretickými předpoklady naměřené van der Waalsovy síly dramaticky slábnou s rostoucí vzdáleností atomů. Zatímco průběh křivek poklesu sil byl stejný jako v teorii, absolutní hodnoty velikosti sil se od teorie lišily, někdy několikanásobně. Vědci to zdůvodňují tím, že i u atomů vzácných plynů dochází k přesunu náboje a mohou se tím pádem mezi nimi vytvořit slabé kovalentní vazby. Takové vazby by pak mohly vysvětlit naměřené vyšší hodnoty van der Waalsových sil.

 

 


Literatura
University of Basel 13. 5. 2015, Nature Communications 7: 11559, Wikipedia (Van der Waals force).

Datum: 16.05.2016
Tisk článku

Hologram pro krále -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 299 Kč
cena: 254 Kč
Hologram pro krále

Související články:

První zřetelné snímky molekuly během chemické reakce     Autor: Stanislav Mihulka (03.06.2013)
Temní chameleoni, hologramy a přízraky     Autor: Stanislav Mihulka (11.09.2014)
Pozorování vzniku chemické vazby v přímém přenosu     Autor: Stanislav Mihulka (14.02.2015)
Vědci vytvořili 3D hologramy atomů uvnitř molekul     Autor: Stanislav Mihulka (10.05.2016)



Diskuze:

Londonova interakce

Petr Louša,2016-05-16 19:25:42

Síla mezi atomy vzácných plynů popisované v článku se obvykle označuje jako Londonova interakce. Na větší vzdálenost je přitažlivá, ale rychle klesající (s r^-6), zatímco po přiblížení pod jistou hranici (vlastně po "doteku" atomů) začne velmi rychle stoupat (s r^-12). Objev zmiňovaný v článku říká, že pro daný měřený systém tak docela neplatí tyhle mocninné vztahy, ale že se musí započítat i vliv toho, že vzniká velmi slabá vazba mezi atomy xenonu (která má kovalentní charakter, ale je nesmírně slabá).

Pojem van der Waalsových sil zahrnuje větší počet interakcí. Vlastně jde o označení všech mezimolekulových sil, které nemají kovalentní ani elektrostatický charakter. Kromě Londonovy interakce mezi dvěma indukovanými dipóly se sem řadí ještě interakce mezi dvěma permanentními dipóly (třeba mezi dvěma molekulami chlorovodíku) a interakce dipól-indukovaný dipól.

Původ Londonovy interakce je v náhodném pohybu elektronů kolem jádra v neutrální molekule/atomu (třeba xenonu). Občas se stane, že je víc elektronů vlevo než vpravo a atom tak má dočasně dipolární charakter. Pokud se k němu v té chvíli přiblíží jiný atom xenonu, tak se jeho elektronový obal trochu pohne tak, aby kompenzoval nerovnoměrnost elektrického pole. Tím se začnou atomy přitahovat. Obrázek by měl napovědět víc http://astarmathsandphysics.com/a-level-physics/thermal-physics-and-gases/van-der-waals-forces-html-m42ce408c.gif

A mimochodem, celý článek je volně přístupný - http://www.nature.com/ncomms/2016/160513/ncomms11559/full/ncomms11559.html

Odpovědět


Re: Londonova interakce

Petr Louša,2016-05-16 22:03:42

Ještě jsem zapomněl dodat, že obrázek označený jako "Van der Waalsova přitažlivost" opravdu znázorňuje vdW sílu, ale mezi dvěma permanentními dipóly. V samotném článku se řeší Londonova síla mezi dvěma indukovanými dipóly.

Odpovědět

Waalsovy síly.

Vlastislav Výprachtický,2016-05-16 13:05:39

Příměr gekona na sklu není zcela adekvátní k Waalsovým silám, neboť uzpůsobení nožek gekonů umožňuje vytvoření podtlaku na hladké ploše.

Odpovědět


Re: Waalsovy síly.

Jan Rychlik,2016-05-16 14:27:41

On to není tak úplně příměr - gekon drží nejen na skle, ale i na nerovných površích právě díky van der Waalsovým silám. Nemají na nohách přísavky, ale chloupky.

Odpovědět


Může gekon bouřlivě aplaudovat?

Josef Hrncirik,2016-05-18 07:22:55

Nedostane gekon smyk na zledovatělých namydlených superhydrofóbních teflonových schodech v zatáčce?

Odpovědět


Re: Re: Waalsovy síly.

Josef Hrncirik,2016-05-18 08:41:05

Z obr. gekon na atomárně hladkém skle je vidno zříti,
že průměrný gekon má délku cca 100 atomů a subatomární ochlupení dlaní.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace