Rätsel um Van-der-Waals-Kraft gelöst

Die zwischen Atomen und Molekülen wirkende Van-der-Waals-Kraft wirkt stärker als gedacht. Ihre Reichweite liegt bei bis zu 100 Nanometern, statt nur bei einem Nanometer. Dies haben Physiker herausgefunden, als sie die Kraft erstmals über quantenmechanische Wellenfunktionen statt über klassische Modelle berechneten. Ihre im Fachmagazin „Science“ veröffentlichten Ergbenisse klären auch die bisher rätselhaften Diskrepanzen zwischen Messungen und Modell.

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Van-der-Waals-Kräfte sorgen dafür, dass Gase unterhalb einer bestimmten Temperatur zu Flüssigkeiten kondensieren. Sie geben Klebstoff seine Haftkraft und lassen einen Gecko kopfüber an einer Wand hängen. Diese zwischen Teilchen aktiven elektrostatische Kräfte wirken zwischen polaren Molekülen, aber auch zwischen elektrisch neutralen Atomen und Molekülen, wie beispielsweise Methan. Dies funktioniert, weil sich Elektronen in der Hülle der Atome vorübergehend verschieben und so das Molekül leicht polarisieren.

Obwohl die Van-der-Waals-Kräfte schon lange bekannt sind, gibt es mit ihrer physikalischen und mathematischen Beschreibung ein Problem: Dem klassischen Modell nach nimtm diese zwischen einzelnen Atomen wirkende Kraft mit der siebten Potenz des Abstandes ab. Das bedeutet, das diese Anziehung nur etwa einen Nanometer weit wirken dürfte.

Wellen statt Teilchen

Warum das so ist, haben nun Alberto Ambrosetti vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin und seine Kollegen nun erstmals auch theoretisch begründet. Ihre Berechnungen beruhen dabei erstmals auf einem quantenmechanischen Modell.

Der Clou dabei: DIe Physiker betrachteten die Bewegung der Elektronen um den Atomkern als Wellenfunktionen, wie in der Quantenphysik üblich. Die Van-der-Waals-Kraft interpretierten sie dabei als Wechselwirkung dieser Wellen bei zwei benachbarten Atomen „Wenn man zwei Moleküle oder Nanostrukturen einander nähert, dann interagieren die Wellen, also die jeweiligen Elektronenschwingungen, miteinander“, erklärt Seniorautor Alexandre Tkatchenko vom Fritz-Haber-Institut.

Bis zu 100 Nanometer weit

Aus den neuen Berechnungen ergibt sich, dass die die Van-der-Waals-Kraft tatsächlich mit der Entfernung deutlich langsamer abnimmt als bislang angenommen. „Bis zu 100 Nanometer weit wirkt diese Anziehung“, so Tkatchenko. Eine weitere neue Erkenntnis: Der Grad der Abnahme ist keineswegs konstant, sondern variiert seinerseits mit dem Abstand.

Für ihr Modell hatten die Forscher unter anderem berechnet, welche Kräfte zwischen zwei ebenen Graphenschichten wirken, wie stark sich Kohlenstoffnanoröhrchen anziehen und wie stark die Anziehung zwischen einer Kette aus Kohlenstoffatomen und einem Protein-Molekül ist. Ihre Ergebnisse stimmten dabei gut mit den experimentellen Befunden anderer Forscher überein.

Bedeutung für viele Anwendungen

Nach Ansicht der Wissenschaftler ist dies ein echter Paradigmenwechsel bei der Beschreibung der Van-der-Waals-Wechselwirkung. Die neuen Erkenntnisse haben jedoch auch große Bedeutung für konkrete Anwendungen, darunter die Klebstoff-Forschung oder die Werkstofftechnik.

„Nehmen Sie ein Flugzeug: Dessen Bauteile basieren heute zunehmend auf Polymer-Materialien“, erklärt Tkatchenko. „Wie sich die einzelnen Polymer-Moleküle beim Erstarren zueinander anordnen, bestimmen maßgeblich die zwischen ihnen wirkenden Van-der-Waals-Kräfte.“ Auch für Wirkstoffentwickler etwa in der Pharmaindustrie könne eine bessere Beschreibung von Van-der-Waals-Kräften hilfreich sein. Denn sie entscheiden darüber, wie gut ein Wirkstoffmolekül an eine Zielstruktur im Organismus bindet. (Science, 2016; doi: 10.1126/science.aae0509)

(Max-Planck-Gesellschaft, 11.03.2016 – NPO)