Lần đầu tiên đo được lực van der Waals giữa từng nguyên tử

Các nhà vật lí tại Viện Khoa học Nano Thụy Sĩ và Đại học Basel vừa thành công trong việc đo lực van der Waals rất yếu giữa từng nguyên tử. Để thực hiện kì công này, họ cố định từng nguyên tử khí trơ bên trong một mạng phân tử và xác định các tương tác với một nguyên tử xenon độc thân mà họ bố trí tại đầu nhọn của một kính hiển vi lực nguyên tử. Đúng như trông đợi, các lực biến thiên theo khoảng cách giữa hai nguyên tử; nhưng, trong một số trường hợp, các lực lớn gấp vài lần so với giá trị tính trên lí thuyết. Các kết quả được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Lực van der Waals tác dụng giữa các nguyên tử và phân tử không phân cực. Mặc dù chúng rất yếu so với các liên kết hóa học, nhưng chúng có ý nghĩa to lớn trong tự nhiên. Chúng giữ một vai trò quan trọng trong tất cả các quá trình liên quan đến sự cố kết, bám dính, ma sát hoặc ngưng tụ và, chẳng hạn, thiết yếu cho các kĩ năng leo trèo của loài tắc kè.

Các nguyên tử khí hiếm kí gửi trên mạng phân tử được nghiên cứu bằng đầu dò hiển vi gắn một nguyên tử xenon. Các phép đo cung cấp thông tin về các lực van der Waals yếu giữa từng nguyên tử này. Ảnh: Đại học Basel

Các tương tác van der Waals phát sinh do sự phân bố lại tạm thời của electron trong các nguyên tử và phân tử. Điều này thỉnh thoảng mang lại sự hình thành các lưỡng cực làm cảm ứng sự phân bố lại electron ở các nguyên tử láng giềng gần. Do sự hình thành lưỡng cực, hai phân tử chịu một lực hút tương hỗ, nó được gọi là tương tác van der Waals. Hiện tượng chỉ tồn tại tạm thời nhưng được lặp lại liên tục. Từng lực hút này là lực liên kết yếu nhất tồn tại trong tự nhiên, nhưng chúng cộng gộp lại đạt tới những độ lớn mà chúng ta có thể cảm nhận rất rõ ràng ở cấp độ vĩ mô – như trong trường hợp loài tắc kè.

Cố định bên trong cốc nano

Để đo các lực van der Waals, các nhà khoa học tại Basel đã sử dụng một kính hiển vi lực nguyên tử nhiệt độ thấp với một nguyên tử xenon độc thân tại đầu nhọn. Sau đó họ cố định từng nguyên tử argon, krypton và xenon trong một mạng phân tử. Mạng này, tự tổ chức dưới các điều kiện thực nghiệm nhất định, chứa cái gọi là các cốc nano làm bằng các nguyên tử đồng trong đó các nguyên tử khí trơ được giữ tại chỗ giống như trứng chim. Chỉ với bố trí thí nghiệm này mới có thể đo các lực nhỏ xíu giữa đầu nhọn kính hiển vi và nguyên tử khí trơ, vì một bề mặt kim loại tinh khiết sẽ cho phép các nguyên tử khí trơ trượt trên đó.

So sánh với lí thuyết

Các nhà nghiên cứu đã so sánh lực đo được với giá trị đã tính và biểu diễn chúng trên đồ thị. Đúng như trông đợi từ các tính toán lí thuyết, lực đo được giảm kịch tính khi khoảng cách giữa các nguyên tử tăng lên. Trong khi có sự ăn khớp tốt giữa hình dạng đường cong đã đo và đã tính cho tất cả các khí trơ đã phân tích, thì lực tuyệt đối đo được lại lớn hơn trông đợi từ các phép tính theo mô hình chuẩn. Nhất là với xenon, lực đo được lớn hơn giá trị tính được lên tới hai lần.

Các nhà khoa học đang tiến hành phân tích trên giả định rằng, kể cả ở các khí trơ, xảy ra sự cho nhận điện tích và do đó các liên kết cộng hóa trị yếu thỉnh thoảng hình thành, nó giải thích các giá trị cao đã đo.

Tham khảo: Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms11559

Nguồn: PhysOrg.com