В новом исследовании ученые зафиксировали атом ксенона на конце зонда атомно-силового микроскопа и «ощупали» им поверхность подложки, содержащую атомы других благородных газов. Так исследователи впервые измерили силы Ван-дер-Ваальса, возникающие между единичными атомами, и сравнили результаты с теоретическими оценками.

Силы Ван-дер-Ваальса — одно из самых слабых взаимодействий, возникающих между атомами, но, тем не менее, они играют важную роль в некоторых макроскопических процессах: адгезии, конденсации, возникновении сил трения. Они возникают между электрически нейтральными и неполярными атомами из-за временного перераспределения электрического заряда внутри частицы. Это приводит к образованию электрических диполей — пар разноименных, положительного и отрицательного, зарядов одинаковой величины, которые притягиваются к другим временным диполям наподобие того, как притягиваются между собой магниты.

Силы, возникающие между отдельными атомами, крайне малы, но при взаимодействии большого числа частиц силы Ван-дер-Ваальса могут быть весьма ощутимыми: например, благодаря этому взаимодействию гекконы взбираются по отвесным гладким поверхностям. Измерение таких слабых взаимодействий, как правило, возможно только для крупных систем атомов, из-за чего вычислительная сложность анализа данных сильно возрастает. В новой работе группе ученых из Японии и Европы удалось измерить силы Ван-дер-Ваальса между отдельными атомами благородных газов. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

В экспериментах использовали метод атомно-силовой микроскопии при низких температурах. На конце зонда закрепили атом ксенона, а на подложке, которую он «ощупывал», — атомы трех благородных газов: ксенона, аргона и криптона. Для изучения лучше всего подошли именно эти элементы, поскольку они существуют в виде отдельных атомов, «добровольно» не формируя молекулы — ни с другими веществами, ни с себе подобными.

Результаты измерений показали, что сила Ван-дер-Ваальса быстро падает с увеличением расстояния, как это и предсказывает теоретическая модель. В то же время абсолютные значения, полученные в ходе исследования, расходятся с предсказанными, в случае ксенона — почти в два раза. Авторы работы предполагают, что такое несоответствие связано с тем, что в эксперименте между атомами могли возникать не только силы Ван-дер-Ваальса. Возможно, в некоторых случаях между атомами благородных газов все-таки формировались ковалентные связи, даже самые слабые из которых сильнее взаимодействия Ван-дер-Ваальса.