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.

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.

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.

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).