Los físicos del Instituto Suizo de Nanociencia y la Universidad de Basilea han logrado medir las fuerzas de van der Waals muy débiles entre átomos individuales por primera vez. Para hacer esto, fijaron átomos de gases nobles individuales dentro de una red molecular y determinaron las interacciones con un solo átomo de xenón que habían colocado en la punta de un microscopio de fuerza atómica. Como se esperaba, las fuerzas variaban según la distancia entre los dos átomos; pero, en algunos casos, las fuerzas eran varias veces mayores que las calculadas teóricamente. Estos hallazgos son reportados por el equipo internacional de investigadores en Comunicaciones de la naturaleza .

Las fuerzas de Van der Waals actúan entre átomos y moléculas no polares. Aunque son muy débiles en comparación con los enlaces químicos, son de naturaleza enormemente significativa. Desempeñan un papel importante en todos los procesos relacionados con la cohesión, adhesión, fricción o condensación y son, por ejemplo, esencial para las habilidades de escalada de un gecko.

Las interacciones de Van der Waals surgen debido a una redistribución temporal de electrones en los átomos y moléculas. Esto da como resultado la formación ocasional de dipolos, que a su vez inducen una redistribución de electrones en moléculas vecinas. Debido a la formación de dipolos, las dos moléculas experimentan una atracción mutua, que se conoce como interacción de van der Waals. Esto solo existe temporalmente, pero se reforma repetidamente. Las fuerzas individuales son las fuerzas vinculantes más débiles que existen en la naturaleza, pero se suman para alcanzar magnitudes que podemos percibir muy claramente en la escala macroscópica, como en el ejemplo del gecko.

Fijado dentro del nano-vaso

Para medir las fuerzas de van der Waals, Los científicos de Basilea utilizaron un microscopio de fuerza atómica de baja temperatura con un solo átomo de xenón en la punta. Luego fijaron el argón individual, átomos de criptón y xenón en una red molecular. Esta red, que se autoorganiza bajo ciertas condiciones experimentales, contiene los llamados nano-vasos de precipitados de átomos de cobre en los que los átomos de gas noble se mantienen en su lugar como un huevo de pájaro. Solo con esta configuración experimental es posible medir las pequeñas fuerzas entre la punta del microscopio y el átomo de gas noble, ya que una superficie de metal puro permitiría que los átomos de gas noble se deslicen.

Comparado con la teoría

Los investigadores compararon las fuerzas medidas con los valores calculados y los mostraron gráficamente. Como se esperaba de los cálculos teóricos, las fuerzas medidas cayeron drásticamente a medida que aumentaba la distancia entre los átomos. Si bien hubo una buena concordancia entre las formas de las curvas medidas y calculadas para todos los gases nobles analizados, las fuerzas medidas absolutas fueron mayores de lo esperado a partir de los cálculos de acuerdo con el modelo estándar. Sobre todo para el xenón, las fuerzas medidas fueron mayores que los valores calculados en un factor de hasta dos.

Los científicos están trabajando en la suposición de que, incluso en los gases nobles, se produce una transferencia de carga y, por lo tanto, se forman ocasionalmente enlaces covalentes débiles, lo que explicaría los valores más altos.

El equipo internacional de científicos de Suiza, Japón, Finlandia, Suecia y Alemania utilizaron la configuración experimental anterior para medir las fuerzas más pequeñas jamás detectadas entre átomos individuales. Al hacerlo, los investigadores han demostrado que aún pueden avanzar hacia nuevos campos utilizando microscopía de fuerza atómica, que se desarrolló hace exactamente 30 años.