Van-der-Waals-Kräfte zwischen einzelnen Atomen gemessen

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 wichtige Rolle für alle Prozesse, die mit Haftung, Adhäsion, Reibung oder Kondensation zu tun haben. Physiker um Shigeki Kawai von der Universität Basel haben die zwischen einzelnen Edelgasatomen wirkenden Van-der-Waals-Kräfte nun sehr genau vermessen. Wie erwartet waren die Kräfte abhängig vom Abstand der Atome, jedoch teilweise deutlich größer als von der Theorie vorhergesagt, so das internationale Forscherteam in der Fachzeitschrift „Nature Communications“.

Um die Van-der-Waals-Kräfte zu messen, nutzten die Wissenschaftler ein Rasterkraftmikroskop mit einem einzelnen Xenonatom an der Spitze. In ihren Experimenten fixierten sie einzelne Argon-, Krypton- und Xenonatome in einem molekularen Netzwerk, das sogenannte Nanomessbecher aus Kupferatomen enthält, in denen die Edelgasatome festgehalten werden. Mit diesem Versuchsaufbau war es möglich, die winzigen Kräfte zwischen Mikroskopspitze und Edelgasatom zu messen. Anschließend verglichen Kawai und seine Kollegen die gemessenen Kräfte mit rechnerisch ermittelten Werten: Wie von der Theorie vorhergesagt, 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, fielen die absoluten gemessenen Kräfte jedoch größer aus als erwartet. Vor allem für Xenon waren die gemessenen Kräfte bis zu doppelt so groß wie die rechnerisch ermittelten Werte. Die Wissenschaftler nehmen an, dass es auch bei Edelgasen zu einem Austausch von Elektronen und damit hin und wieder zur Ausbildung von schwachen, kovalenten Bindungen kommt, was die höheren Werte erklären würde.

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 allerdings auf und erreichen so auf einer makroskopischen Skala Größen, die wir – beispielsweise im Fall der Haftkraft von Geckos – sehr deutlich wahrnehmen können.