Van-der-Waals-Kräfte einzelner Atome gemessen - wissenschaft.de
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Van-der-Waals-Kräfte einzelner Atome gemessen

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In einem molekularen Netzwerk befinden sich Nanomessbecher aus Kupferatomen (kupferfarben), in denen einzelne Xenonatome (blau) festgehalten werden. Ein Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskop mit einem einzelnen Xenonatom an der Spitze wird darüber platziert. Zwischen den beiden Xenonatomen kommt es zu Van-der-Waals-Wechselwirkungen, welche die Forscher nun erstmals quantitativ messen konnten. (Bild: Universität Basel, Departement Physik)
Sie sind das Geheimnis hinter den Kletterkünsten von Geckos und wichtig für alles, was mit Haftung, Adhäsion, Reibung oder Kondensation zu tun hat: die Van-der-Waals-Kräfte. So deutlich werden sie allerdings nur in der Summe, denn die Einzelkomponenten sind sehr schwach. Dennoch ist es Physiker nun erstmals gelungen, die Van-der-Waals-Kräfte zwischen einzelnen Atomen zu messen.

Im Vergleich zu chemischen Bindungen sind Van-der-Waals-Wechselwirkungen sehr schwach: Sie entstehen durch eine kurzzeitige Umverteilung von Elektronen in Atomen und Molekülen. Es kommt dadurch 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. Die einzelnen Bindungskräfte sind die schwächsten, die es in der Natur gibt. Aufsummiert entwickeln sie allerdings beachtlich Größen, wie am Beispiel der Haftkraft von Gecko-Füßen deutlich wird.

Forschung buchstäblich auf die Spitze getrieben

Um die Van-der-Waals-Kräfte auf ihre kleinsten Bestandteile herunterzubrechen, nutzte das internationale Forscherteam um Ernst Meyer 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 möglich Erklärung, dass es auch bei Edelgasen zu einem Austausch von Elektronen kommen kann. So könnten Bindungs-verstärkende Effekte entstehen, sagen die Wissenschaftler.

Minimalrekord erzielt

Das Forscherteam aus der Schweiz, Japan, Finnland, Schweden und Deutschland hat 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.

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Quellen:

© wissenschaft.de – Martin Vieweg
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Che|mo|the|ra|peu|ti|kum  〈[çe–] n.; –s, –ka; Pharm.〉 Medikament gegen Krankheitserreger, das aus chem. Stoffen hergestellt ist, bes. zur Behandlung von Krebserkrankungen eingesetzt

Pe|ri|du|ral|an|äs|the|sie  〈f. 19; Med.〉 Betäubung der unteren Körperhälfte durch Einspritzung eines Anästhetikums im Lendenwirbelbereich

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