Posted in | Nanoelectronics

Måling af Van der Waals Kraft hjælper til at forstå strukturen af ​​atomer

Published on January 28, 2011 at 5:50 AM

Måling af de attraktive kræfter mellem atomer og overflader med hidtil uset præcision, har University of Arizona fysikere producerede data, der kan forfine vores forståelse af strukturen af ​​atomer og forbedre nanoteknologi. Opdagelsen er blevet offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters.

Van der Waals kræfter er grundlæggende for kemi, biologi og fysik. Men de er blandt de svageste kendte kemiske interaktioner, så de er notorisk svære at studere. Denne kraft er så svag, at det er svært at lægge mærke til i hverdagen. Men dykke ned i en verden af ​​mikro-maskiner og nano-robotter, og du vil føle den kraft - overalt.

Ph.d.-studerende Vincent Lonij (til venstre), lektor i fysik Alex Cronin, vil forskningen assistent Holmgren og bachelorstuderende Catherine Klauss udføre vedligeholdelse på et kammer, der anvendes til at stråle atomer gennem en rist til at måle en lille kraft, der hjælper fysikere bedre at forstå strukturen af ​​atomer .

"Hvis du laver dine komponenter lille nok, til sidst denne van-der-Waals potentialet begynder at blive den dominerende samspil," siger Vincent Lonij, en ph.d.-studerende i UA Institut for Fysik, der ledede forskningen som en del af hans ph.d.-afhandling.

"Hvis du laver små, små gear til en nano-robot, for eksempel dem, gear bare holde sammen og gå i stå. Vi ønsker at bedre at forstå, hvordan denne kraft virker."

At studere den van-der-Waals kraft, Lonij og hans co-arbejdere vil Holmgren, Cathy Klauss og lektor i fysik Alex Cronin designet en sofistikeret forsøgsopstilling, der kan måle samspillet mellem de enkelte atomer, og en overflade. Fysikerne drage fordel af kvantemekanikken, hvori det hedder, at atomer kan studeres og beskrives både som partikler og som bølger.

"Vi skyder en stråle af atomer gennem en rist, lidt ligesom en mikro-skala stakit," Lonij forklaret. "Som atomerne passerer gennem risten, de interagerer med overfladen af ​​risten barer, og vi kan måle, at interaktion."

Da atomerne passerer gennem spalterne i risten, Van-der-Waals kraft tiltrækker dem til barer adskille spalterne. Afhængig af hvor stærk interaktionen, det ændrer atomets bane, ligesom en stråle af lys er bøjet, når den passerer gennem vand eller et prisme.

En bølge passerer gennem midten af ​​spalten gør det relativt uhindret. På den anden side, hvis et atom bølge passerer tæt ved spalten kanter det interagerer med overfladen og springer lidt frem i tiden, "ude af fase", som fysikerne siger.

"Efter atomerne passere gennem risten, vi opdager, hvor meget bølgerne er ude af fase, som fortæller os, hvor stærk den van-der-Waals potentialet var, da atomerne interagerede med overfladen."

Mystisk som det ser ud, uden at van-der-Waals kraft, ville livet være umuligt. For eksempel hjælper det de proteiner, der udgør vores krop til at folde ind i komplekse strukturer, der sætter dem i stand til at gå om deres højt specialiserede jobs.

I modsætning til magnetisk tiltrækning, som kun berører metaller eller sagen transporterer en elektrisk strøm, gør van-der-Waals kræfter noget holde sig til noget, hvis de to er meget tæt på hinanden. Fordi kraft er så svag, gør sit handling ikke sortiment ud over omfanget af atomer - hvilket netop er grunden til, at der ikke er bevis for en sådan en kraft i vores hverdag, og hvorfor vi overlade det til fysikere som Lonij at udrede sin hemmeligheder.

I første omgang blev han kørt blot af nysgerrighed, Lonij sagde. Da han startede sit projekt, vidste han ikke, det ville føre til en ny måde at måle de kræfter mellem atomer og overflader, som kan ændre den måde, fysikere mener om atomer.

Og med et smil, tilføjede han, "jeg troede det ville være passende at studere denne kraft, da jeg er fra Holland; Mr. van der Waals var hollænder, også."

Ud over at bevise, at kernen elektroner bidrage til den van-der-Waals potentiale, gjorde Lonij og hans gruppe en anden vigtig opdagelse.

Fysikere over hele verden, der studerer strukturen af ​​atomet stræber efter benchmarks, som sætter dem i stand til at afprøve deres teorier om, hvordan atomer arbejde og interagere. "Vores målinger af atom-overflade potentialer kan tjene som sådan benchmarks", Lonij forklaret. "Vi kan nu teste atomteori på en ny måde."

At studere, hvordan atomer interagerer er vanskeligt, fordi de ikke bare små bolde. I stedet, de er hvad fysikerne kalder mange-organ systemer. "Et atom består af en hel masse andre partikler, elektroner, neutroner, protoner, og så videre," Lonij sagt.

Selvom atomet som helhed har ingen netto elektrisk ladning, de forskellige ladede partikler bevæger sig rundt i dens interiør er det, der skaber den van-der-Waals kraft i første omgang.

"Hvad sker er, at de elektroner, der holder al den negative ladning, og protoner, der holder alle de positive ladning, ikke altid er de samme steder. Så du kan have bittesmå forskelle, der har ansvaret, som er svingende meget hurtigt. Hvis du lægger en afgift tæt på en overflade, kan du fremkalde et billede gebyr. I en meget forenklet måde, kan man sige atomet er tiltrukket af sit eget spejlbillede. "

For at fysikere, foretrækker som tingene pænt og rent og medgørlig med knivskarp matematik, et sådant system, der består af mange mindre partikler zoome rundt om hinanden, er det vanskeligt at pin ned. Hvis du vil føje til den komplikation, de fleste overflader ikke er rene. Som Lonij udtrykker det, "Sammenligning af en sådan beskidt system til at teori er en stor udfordring, men vi har fundet ud af en måde at gøre det alligevel."

"En stor kritik af denne type arbejde altid var:" Nå, er du måler dette atom-overflade potentiale, men du ved ikke, hvad overfladen ser ud, så du ikke ved, hvad du egentlig måling. " "

For at eliminere dette problem, Lonij team brugt forskellige typer af atomer og så på, hvordan hver interagerede med samme overflade.

"Vores teknik giver dig forholdet mellem potentialer direkte uden nogensinde at kende potentialet for en af ​​de to atomer," sagde han. "Da jeg startede for fem år siden, den usikkerhed, der i disse typer af målinger var 20 procent. Vi bragte det ned til to procent."

Den mest markante opdagelse var, at et atom inderste elektroner, der kredser om kernen i et tættere rækkevidde end atomets yderste elektroner, indflydelse på, hvordan atomet interagerer med overfladen.

"Vi viser, at disse centrale elektroner bidrage til atom-overflade potentiale," Lonij sagde, "som kun var kendt i teorien indtil nu. Dette er den første eksperimentelle demonstration af, at kernen elektroner påvirker atom-overflade potentialer."

"Men hvad der måske mere vigtigt," tilføjede han, "er, at du også kan vende det rundt. Vi ved nu, at kernen elektroner påvirker atom-overflade potentialer. Vi ved også, at disse grundlæggende elektroner er svære at beregne i atomteori. Så vi kan bruge målinger af atom-overflade potentialer for at gøre teorien bedre: Teorien om atomet ".

Kilde: http://www.arizona.edu/

Last Update: 8. October 2011 07:20

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit