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Mess-Van der Waals-Kraft Hilft Struktur der Atome zu verstehen

Published on January 28, 2011 at 5:50 AM

Die Messung der Anziehungskräfte zwischen Atomen und Oberflächen mit bisher unerreichter Präzision haben University of Arizona Physiker Daten, die unser Verständnis der Struktur der Atome zu verfeinern und zu verbessern Nanotechnologie hergestellt. Die Entdeckung wurde in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Van der Waals-Kräfte sind von grundlegender Bedeutung für die Chemie, Biologie und Physik. Allerdings sind sie zu den schwächsten bekannten chemischen Wechselwirkungen, so sind sie bekanntlich schwer zu studieren. Diese Kraft ist so schwach, dass es schwer ist, im Alltag bemerken. Aber tauchen Sie ein in die Welt der Mikro-Maschinen und Nano-Roboter, und spüren Sie die Kraft - überall.

Graduate Student Vincent Lonij (links), außerordentlicher Professor für Physik Alex Cronin, Will wissenschaftliche Mitarbeiterin Holmgren und Bachelor-Student Catherine Klauss Wartungsarbeiten an eine Kammer zur Strahl-Atome durch ein Gitter zu einem winzigen Kraft, die Physiker ein besseres Verständnis der Struktur der Atome hilft bei der .

"Wenn Sie Ihre Komponenten klein genug zu machen, schließlich das van-der-Waals Potential, die dominante Wechselwirkung werden beginnt", sagte Vincent Lonij, ein Student in der UA-Abteilung der Physik, die die Forschung als Teil seiner Doktorarbeit führte.

"Wenn man winzige, winzige Zahnräder für einen Nano-Roboter zu machen, beispielsweise solche, die Gänge nur aneinander kleben und schleifen zum Stillstand. Wir wollen besser verstehen, wie diese Kraft wirkt."

Zur Untersuchung der van-der-Waals-Kraft, Lonij und seine Mitarbeiter Will Holmgren, Cathy Klauss und außerordentlicher Professor für Physik Alex Cronin entwarf eine ausgeklügelte Versuchsanordnung, die die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Atomen und einer Oberfläche messen können. Die Physiker nutzen die Quantenmechanik, die die Atome untersucht werden können und sowohl als Teilchen und als Wellen beschrieben werden Staaten.

"Wir schießen ein Strahl von Atomen durch ein Gitter, wie eine Art Mikro-Maßstab Lattenzaun" Lonij erklärt. "Da die Atome durch das Gitter passieren, interagieren sie mit der Oberfläche der Gitterstäbe, und wir können die Interaktion messen."

Da die Atome durch die Schlitze in das Gitter passieren, zieht die van-der-Waals-Kraft sie an den Bars Trennung der Schlitze. Je nachdem, wie stark die Interaktion, ändert sich das Atom die Flugbahn, wie ein Lichtstrahl, der gebogen ist, wenn es durch Wasser oder ein Prisma fällt.

Eine Welle, die durch die Mitte des Spaltes ist so relativ unbelastet. Auf der anderen Seite, wenn ein Atom Welle läuft in der Nähe durch den Schlitz der Kanten, interagiert er mit der Oberfläche und überspringt ein Stück voraus, "out of Phase", wie die Physiker sagen.

"Nach der Atome durch das Gitter passieren, erkennen wir, wie viel die Wellen außer Phase sind, die uns sagt, wie stark die van-der-Waals Potential, wenn die Atome mit der Oberfläche interagiert wurde."

Mysterious wie es scheint, ohne die van-der-Waals-Kraft, wäre das Leben unmöglich. Zum Beispiel hilft es, die Proteine, aus denen sich unser Körper in die komplexen Strukturen, die sie über ihre hoch spezialisierte Arbeitsplätze gehen damit zu falten.

Im Gegensatz zu magnetischen Anziehungskraft, die nur Metalle oder Materie trägt einen elektrischen Strom betrifft, machen van-der-Waals-Kräfte nichts Stick nichts, vorausgesetzt, die beiden sind sehr nah beieinander. Da die Kraft ist so schwach, hat seine Wirkung nicht über das Ausmaß der Atome Bereich - also genau das der Grund, warum gibt es keine Beweise für eine solche Kraft in unserer Alltagswelt und warum wir überlassen es Physiker wie Lonij zu entwirren sein Geheimnisse.

Zunächst er war einfach von der Neugier getrieben, sagte Lonij. Als er sein Projekt startete, wusste er nicht, es wäre eine neue Methode zur Messung der Kräfte zwischen den Atomen und Oberflächen, die den Weg Physiker denken Atome ändern führen kann.

Und mit einem Lächeln fügte er hinzu: "Ich dachte, es wäre angebracht, diese Kraft zu studieren, da ich aus den Niederlanden bin, Herr van der Waals war Holländer, auch."

Zusätzlich zu beweisen, dass Kern-Elektronen auf die van-der-Waals-Potentials beitragen, machte Lonij und seine Gruppe eine weitere wichtige Entdeckung.

Physiker auf der ganzen Welt, die das Studium der Struktur des Atoms sind für Benchmarks, mit denen sie ihre Theorien darüber, wie Atome arbeiten und interagieren Test ermöglichen Streben. "Unsere Messungen von Atom-Oberfläche Potentiale können als solche Benchmarks dienen", Lonij erklärt. "Wir können jetzt Atomtheorie in neuer Weise."

Studieren, wie sich Atome interagieren, ist schwierig, weil sie nicht einfach kleine Kugeln. Stattdessen sind sie, was Physiker Vielteilchensysteme nennen. "Ein Atom besteht aus einem ganzen Bündel von anderen Teilchen, Elektronen, Neutronen, Protonen und so weiter", sagte Lonij.

Auch wenn das Atom als Ganzes hält keine elektrische Nettoladung, sind die verschiedenen geladenen Teilchen bewegen in seinem Inneren, was schaffen die van-der-Waals-Kraft in den ersten Platz.

"Was passiert ist, dass die Elektronen, die alle die negative Ladung zu halten, und die Protonen, die alle die positive Ladung zu halten, nicht immer an den gleichen Stellen. So kann man winzig kleine Unterschiede in der Ladung, die schwankenden sind sehr schnell zu haben. Wenn Sie stellen eine Gebühr in der Nähe einer Oberfläche bewegen Sie ein Bild berechnen. In einer stark vereinfachten Weise könnte man sagen, das Atom seine eigene Reflexion ist angezogen. "

Um Physiker, bevorzugen die Dinge ordentlich und sauber und fügsam mit gestochen scharfen Mathematik, ein solches System, die aus vielen kleineren Teilchen Zoomen umeinander gemacht, ist schwer zu fassen. Um die Komplikation, die meisten Oberflächen nicht sauber. Als Lonij es ausdrückt: "Vergleicht man eine solche schmutzige System der Theorie ist eine große Herausforderung, aber wir einen Weg gefunden, es trotzdem zu tun."

"Eine große Kritik an dieser Art von Arbeit war immer," gut, du bist die Messung dieses Atom-Oberfläche Potenzial, aber Sie wissen nicht, was die Oberfläche wie so du nicht weißt, was du wirklich messen aussieht. " "

Um dieses Problem zu beseitigen, verwendet Lonij Team verschiedene Arten von Atomen und sah, wie jeder mit der gleichen Oberfläche interagieren.

"Unsere Technik gibt Ihnen das Verhältnis von Potentialen direkt, ohne jemals zu wissen, das Potenzial für eine der beiden Atome", sagte er. "Als ich vor fünf Jahren begann, war die Unsicherheit in dieser Art von Messungen 20 Prozent. Wir brachten es auf zwei Prozent."

Die wichtigste Entdeckung war, dass ein Atom die inneren Elektronen, umkreist den Kern auf eine engere Bandbreite als das Atom die äußeren Elektronen, Einfluss auf die Art und Weise das Atom in Wechselwirkung mit der Oberfläche.

"Wir zeigen, dass diese Kern-Elektronen das Atom-Oberfläche Potenzial beitragen", sagte Lonij ", die nur in der Theorie bis jetzt bekannt ist. Dies ist der erste experimentelle Nachweis, dass Rumpfelektronen Atom-Oberfläche Potentiale zu beeinflussen."

"Aber was vielleicht noch wichtiger", fügte er hinzu, "ist, dass man auch umdrehen. Wir wissen jetzt, dass der Kern Elektronen-Atom-Oberfläche Potentiale zu beeinflussen. Wir wissen auch, dass diese Rumpfelektronen schwer zu in Atomtheorie zu berechnen. So können wir Messungen von Atom-Oberfläche Potenziale, um die Theorie besser: Die Theorie des Atoms ".

Quelle: http://www.arizona.edu/

Last Update: 5. October 2011 18:46

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