Van-der-Waals-Kraft neu vermessen

Wie stark sich einzelne Moleküle an eine Oberfläche binden, haben Wissenschaftler mit einem neuen Messverfahren nun erstmals in allen wesentlichen Details experimentell bestimmt. Mit dem Rasterkraftmikroskop konnten sie nachweisen, dass die Kräfte nicht nur mit der Molekülgröße ansteigen, sondern sogar überproportional dazu anwachsen. Die in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienenen Ergebnisse können dazu beitragen, grundlegende Simulationsmethoden für die Chemie, Physik, Biologie und Materialwissenschaften zu verbessern.

Ein Gecko von unten, der an einer Glasplatte haftet.
Gecko auf einer Glasplatte

Für die Messungen heftete das Team um Christian Wagner vom Forschungszentrum Jülich komplexe organische Kohlenstoffverbindungen, die sie auf einer Metalloberfläche angelagert hatten, an die Spitze eines Rasterkraftmikroskops. Diese hatten sie ihrerseits an einem Schwingungssensor befestigt, sodass sich die Spitze ähnlich wie eine winzige Stimmgabel sehr schnell hin- und herbewegt. Beim Ablösen der Moleküle von der Oberfläche verändert sich diese Schwingungsfrequenz und lässt Rückschlüsse auf die Van-der-Waals-Kräfte zu – auch dann, wenn sich die Spitze bereits einige Moleküllängen von der Oberfläche entfernt hat. „Mit unserer Methode konnten wir die Van-der-Waals-Kraft für einzelne Moleküle erstmals kontinuierlich über eine größere Distanz bestimmen“, berichtet Wagner. Die gemessenen Werte stimmen mit theoretischen Vorhersagen überein, denen zufolge die Bindungsstärke mit der dritten Potenz des Abstands abnimmt – was die äußerst geringe Reichweite der Wechselwirkung erklärt. Zudem zeigte sich: Je größer das Molekül, desto stärker ist auch die Anziehung zur Oberfläche. „In der Regel wird nur die Wechselwirkung aller beteiligten Atome addiert. Doch die Van-der-Waals-Kräfte, die wir gemessen haben, gehen um etwa zehn Prozent darüber hinaus“, erklärt der Physiker.

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 derart verschieben, dass es zu einer schwachen elektrischen Anziehung kommt. 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, so die Forscher. Daher lassen sie sich auch leichter verschieben, was die elektrische Anziehung überproportional erhöht.

Obwohl vor rund 150 Jahren entdeckt, ist die Van-der-Waals-Kraft nach wie vor nur sehr schwierig zu bestimmen, wenn es um die Vorhersage des Verhaltens von Festkörpern, Flüssigkeiten und Molekülen geht. Präzise Messungen waren bisher nur für einzelne Atome oder makroskopische Objekte möglich. Die jetzt ermittelten Werte sind insbesondere für Simulationsrechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie interessant, deren Entwicklung 1998 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde. Das Verfahren ist die heute am häufigsten verwendete Methode zur Berechnung von strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften von Molekülen und Festkörpern.