Sie hält den Gecko an der Wand und prägt das Verhalten von Molekülen: Die Van-Der Waals-Kraft gehört zu den fundamentalen Wechselwirkungen der Materie – doch ihre genaue Stärke ist nur schwer zu messen. Deutschen Physikern ist dies nun trotzdem gelungen. Ihr Experiment zeigt, dass die Kräfte nicht nur mit der Molekülgröße ansteigen, sondern sogar überproportional dazu anwachsen, wie sie im Fachmagazin „Nature Communications“ berichten.
Vor rund 150 Jahren untersuchte der niederländische Physiker Johannes von der Waals das Verhalten verschiedener Moleküle, als er eine Entdeckung machte: Er stellte fest, dass sich nicht nur geladene Moleküle gegenseitig anziehen, sondern auch neutrale Atome und Moleküle. Eine geheimnisvolle Kraft sorgte offenbar dafür, dass Moleküle an Oberflächen haften, unpolare Kohlenwasserstoffe miteinander verkleben und Proteine sich zu komplexen Strukturen falten.
Diese nach ihren Entdecker benannte Van-der-Waals-Kraft beeinflusst auch die Aggregatzustände von Stoffen und steckt hinter der erstaunlichen Haftkraft von Geckos, die dank dieser Kräfte sogar eine glatte Wand hochgehen können. Wie stark diese Kraft aber wirkt und wie sie sich je nach Molekülgröße und Entfernung verändert, ließ sich bisher nur schwer messen.
Kraftmessung mit Stimmgabel
Christian Wagner vom Forschungszentrum Jülich und seine Kollegen ist es nun gelungen, die so schwer fassbare Kraft genauer und umfassender zu messen als bislang möglich. Dafür lagerten sie zunächst komplexe organische Kohlenstoffverbindungen auf einer Metalloberfläche an – hier werden Van-der-Waals-Kräfte wirksam. Das andere Ende hefteten sie an die Spitze eines Rasterkraftmikroskops.
Dabei steht die Spitze des Mikroskops nicht still, sondern schwingt ähnlich wie eine winzige Stimmgabel sehr schnell hin und her – auch wenn an ihrem Ende ein Molekül hängt. Diese Bewegungen werden von einem Schwingungssensor aufgezeichnet. Werden nun die Moleküle von der Oberfläche abgelöst, dann lassen mit steigender Entfernung von der Oberfläche die Van-der-Waals-Kräfte nach. Dadurch verändert sich der Zustand der Moleküle und damit auch die Schwingungsfrequenz der Mikroskopspitze. Das wiederum lässt Rückschlüsse auf die van-der-Waals-Kräfte zu.
Überraschung bei größeren Molekülen
„Mit unserer Methode konnten wir die Van-der-Waals-Kraft für einzelne Moleküle erstmals kontinuierlich über eine größere Distanz bestimmen“, berichtet Wagner. Wie sich zeigte, nahm die Kraft mit der dritten Potenz des Abstands ab – das sagen auch theoretische Modelle voraus. Denn für die van-der-Waals-Kraft ist typisch, dass sie nur eine extrem geringe Reichweite hat.
Aber es gab auch Überraschungen: Denn die Anziehung nahm zwar wie erwartet bei größeren Molekülen zu – aber mehr als bisher angenommen. „In der Regel wird nur die Wechselwirkung aller beteiligten Atome addiert“, erklärt der Physiker. „Doch die Van-der-Waals-Kräfte, die wir gemessen haben, gehen um etwa zehn Prozent darüber hinaus.“
Mehr Anziehung bei größeren Elektronenwolken
Der Grund für die überproportionale Zunahme: Die Van-der-Waals-Kraft geht, vereinfacht gesagt, darauf zurück, dass sich die Elektronen in der Hülle von Atomen und Molekülen verschieben. Dadurch kommt es zu einer schwachen elektrischen Anziehung. Bei größeren Molekülen sind aber nicht nur insgesamt mehr Atome beteiligt, da jedes von ihnen aus mehr Atomen besteht. Auch jedes einzelne Atom leistet einen stärkeren Beitrag.
„Da große organische Moleküle oftmals Elektronenwolken ausbilden, die sich über das gesamte Molekül erstrecken, bieten sie den Elektronen deutlich mehr Bewegungsfreiraum als ein einzelnes Atom“, erklärt der Leiter der Jülicher Nachwuchsgruppe Ruslan Temirov. „Daher lassen sie sich auch leichter verschieben, was die elektrische Anziehung überproportional erhöht.“
Wie die Forscher erklären, tragen diese Messungen der Van-der Waals-Kraft künftig dazu bei, Modelle zu grundlegenden strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften von Molekülen und Festkörpern zu verbessern. Denn bei diesen spielt diese Wechselwirkungen eine wichtige Rolle. (Nature Communications, 2014; doi: 10.1038/ncomm6568)
(Forschungszentrum Jülich, 26.11.2014 – NPO)
