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Miden por primera vez las débiles fuerzas de van der Waals entre átomos individuales

En algunos casos, estas fuerzas son varias veces superiores a lo calculado teóricamente


Las fuerzas de Van der Waals son fuerzas atractivas o repulsivas entre moléculas y átomos tan débiles que no se puede medir. Pero resultan de enorme importancia en la naturaleza. Ahora, un equipo de investigadores ha logrado analizar estas fuerzas, entre átomos individuales.





Átomos de gas noble depositados en una red molecular, analizados con la punta de un microscopio, a la que se ha añadido un átomo de xenón. Las mediciones han proporcionado información sobre las débiles fuerzas de van der Waals entre estos átomos individuales. Fuente: Departamento de física de la Universidad de Basilea.
Átomos de gas noble depositados en una red molecular, analizados con la punta de un microscopio, a la que se ha añadido un átomo de xenón. Las mediciones han proporcionado información sobre las débiles fuerzas de van der Waals entre estos átomos individuales. Fuente: Departamento de física de la Universidad de Basilea.
Un equipo de físicos del Instituto de Nanociencia de Suiza y de la Universidad de Basilea han logrado medir por primera vez las muy débiles fuerzas de van der Waals entre  átomos individuales .

Para conseguirlo, fijaron átomos de gas noble dentro de una red molecular y determinaron las interacciones entre ellos, con un átomo de xenón colocado en la punta de un microscopio de fuerza atómica (
capaz de detectar fuerzas del orden de los nanonewtons).

Como era de esperar, esas fuerzas variaron en función de la distancia entre los dos átomos; pero, en algunos casos, las fuerzas eran varias veces mayores a lo calculado teóricamente. Estos resultados han sido presentados por el equipo de investigadores en la revista Nature Communications.

Qué son las fuerzas de van der Waals

Las fuerzas de Van der Waals  son aquellas fuerzas atractivas o repulsivas entre moléculas y átomos. A pesar de que son muy débiles, en comparación con los enlaces químicos, resultan de enorme importancia en la naturaleza, pues juegan un papel importante en todos aquellos procesos relacionados con la cohesión, la adherencia, la fricción o la condensación. Un ejemplo: son esenciales para las habilidades de escalada de las lagartijas.

Estas fuerzas surgen debido a una redistribución temporal de los electrones en átomos y moléculas, lo que resulta en la formación ocasional de dipolos (
atracción electrostática entre el extremo positivo de una molécula polar y el negativo de otra), lo que a su vez induce una redistribución de los electrones en otras moléculas cercanas.

Debido a la formación de dipolos, las dos moléculas experimentan una atracción mutua, que se conoce como "interacción de van der Waals". Esta interacción sólo existe temporalmente, pero puede volver a darse en diversas ocasiones.

Aunque dichas interacciones son las fuerzas más débiles de unión existentes en la naturaleza, su suma puede alcanzar magnitudes perceptibles con toda claridad a escala macroscópica, como en el ejemplo antes mencionado de la lagartija.

El experimento

Para medir las fuerzas de van der Waals, los científicos de la Universidad de Basilea utilizaron un microscopio de fuerza atómica a baja temperatura; con un solo átomo de xenón en la punta.

Fijaron entonces, sobre una red molecular, átomos de gases nobles (argón, kriptón y xenón) individuales. Esta red, que se auto-organiza en ciertas condiciones experimentales, contenía nano-vasos de átomos de cobre, en los que dichos átomos se mantuvieron fijos, como situados en un huevo de ave.

Solo con este montaje experimental fue posible medir las pequeñas fuerzas entre la punta del microscopio y cada átomo de gas noble, como si una superficie de metal puro permitiese a los átomos de gas noble deslizarse.


En comparación con la teoría

A continuación, los investigadores compararon las fuerzas medidas con valores calculados. Como era de esperar, a partir de los cálculos teóricos, las fuerzas medidas decayeron dramáticamente a medida que la distancia entre los átomos aumentaba.

Pero, a pesar de esta concordancia, las fuerzas medidas absolutas resultaron mayores de lo que se esperaba a partir de cálculos realizados de acuerdo con el modelo estándar, sobre todo en el caso del xenón.

Los científicos trabajan ahora en el supuesto de que, incluso en los gases nobles, se produzca una transferencia de carga y, por tanto, se formen enlaces covalentes débiles de vez en cuando, lo que explicaría esos valores más altos.

Los investigadores creen que su estudio demuestra que todavía se puede avanzar en nuevos campos gracias a la microscopía de fuerza atómica, a pesar de que esta tecnología fue desarrollada hace ya 30 años.

Referencia bibliográfica:

Shigeki Kawai, Adam S. Foster, Torbjörn Björkman, Sylwia Nowakowska, Jonas Björk, Filippo Federici Canova, Lutz H. Gade, Thomas A. Jung, Ernst Meyer. Van der Waals interactions and the limits of isolated atom models at interfaces. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/ncomms11559.


Lunes, 16 de Mayo 2016
Eurekalert!/T21
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