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Aides de Mesure de Van Der Waals Force Pour Comprendre la Structure des Atomes

Published on January 28, 2011 at 5:50 AM

Mesurant les forces attrayantes entre les atomes et les surfaces avec la précision sans précédent, les physiciens d'Université d'Arizona ont produit les données qui pourraient polir notre compréhension de la structure des atomes et améliorer la nanotechnologie. La découverte a été publiée dans les Lettres Matérielles de Révision de tourillon.

Les forces de Van der Waals sont principales pour la chimie, la biologie et la physique. Cependant, elles sont parmi les plus faibles interactions chimiques connues, ainsi il est notoirement difficile de les étudier. Cette force est si faible qu'il soit difficile de remarquer dans la vie quotidienne. Mais fouillez au monde des micro-machines et des nano-robots, et vous ressentirez la force - partout.

L'Étudiant de troisième cycle Vincent Lonij (laissé), professeur agrégé de la physique Alex Cronin, aide à la recherche Holmgren et l'étudiant de premier cycle Catherine Klauss exécuter la maintenance sur une cavité utilisée pour rayonner des atomes par une grille pour mesurer une force minuscule cette des physiciens d'aides comprennent mieux la structure des atomes.

« Si vous effectuez à votre petit de composants assez, éventuellement ce potentiel de fourgon-der-Waals commence à devenir l'interaction dominante, » a dit Vincent Lonij, un étudiant de troisième cycle au département de physique d'UA qui a abouti la recherche en tant qu'élément de sa thèse de doctorat.

« Si vous rendez minuscule, les trains minuscules pour un nano-robot, par exemple, bâton de ces trains juste ensemble et s'arrêtent. Nous voulons comprendre mieux comment cette force fonctionne. »

Pour étudier la force de fourgon-der-Waals, Lonij et ses collègues Veulent Holmgren, Cathy Klauss et professeur agrégé de la physique Alex Cronin a conçu une installation expérimentale sophistiquée qui peut mesurer les interactions entre les atomes uniques et une surface. Les physiciens tirent profit de la mécanique quantique, qui déclare que des atomes peuvent être étudiés et a décrit comme particules et en tant qu'ondes.

« Nous tirons une poutre des atomes par une grille, tri de comme une clôture de micro-échelle, » Lonij avons expliqué. « Pendant Que les atomes traversent la grille, ils agissent l'un sur l'autre avec la surface des barres discordantes, et nous pouvons mesurer cette interaction. »

Pendant Que les atomes traversent les fentes dans la grille, la force de fourgon-der-Waals les attire aux barres séparant les fentes. Selon la façon dont intense l'interaction, il change la trajectoire de l'atome, juste comme un faisceau de lumière est courbé quand il traverse l'eau ou un prisme.

Une onde réussissant par le milieu de la fente fait tellement relativement non encombré. D'autre part, si les passages d'une onde d'atome se ferment par les arêtes de la fente, elle agit l'un sur l'autre avec la surface et saute un bit en avant, « hors de la phase, » comme les physiciens disent.

« Après Que les atomes traversent la grille, nous trouvons combien les ondes coûtent hors de la phase, qui nous indique combien intense le potentiel de fourgon-der-Waals était quand les atomes ont agi l'un sur l'autre avec la surface. »

Tout Mystérieux que ce semble, sans force de fourgon-der-Waals, durée de vie soyez impossible. Par exemple, il aide les protéines qui composent nos fuselages pour se plier dans les structures complexes qui leur permettent de se répandre leurs travaux hautement spécialisés.

À La Différence de l'attraction magnétique, qui affecte seulement les métaux ou la substance transportant un courant électrique, les forces de fourgon-der-Waals effectuent n'importe quoi coller à n'importe quoi, si les deux sont extrêmement près de l'un l'autre. Puisque la force est si faible, son action ne s'échelonne pas au delà de l'échelle des atomes - qui est avec précision la raison pour laquelle il n'y a aucune preuve d'une telle force en notre monde quotidien et pourquoi nous le soin laissons aux physiciens tels que Lonij pour nous démêler ses secrets.

Au Commencement, il a été piloté simplement par curiosité, Lonij a dit. Quand il a lancé son projet, il n'a pas su qu'il mènerait à une voie neuve de mesurer les forces entre les atomes et les surfaces qui peuvent changer les physiciens de voie pensent aux atomes.

Et avec un sourire, il a ajouté, « J'a pensé qu'il irait pour étudier cette force, puisque Je suis les Pays-Bas ; M. van der Waals était Néerlandais, aussi. »

En plus de montrer que les électrons de noyau contribuent au potentiel de fourgon-der-Waals, Lonij et son groupe ont effectué une autre découverte importante.

Les Physiciens autour du monde qui étudient la structure de l'atome essayent d'obtenir les benchmarks qui leur permettent de tester leurs théories au sujet de la façon dont les atomes fonctionnent et agissent l'un sur l'autre. « Nos mesures des potentiels d'atome-surface peuvent servir de tels benchmarks, » Lonij ont expliqué. « Nous pouvons maintenant tester la théorie atomique d'une voie neuve. »

Étudiant comment les atomes interactifs est difficile parce qu'ils ne sont pas les billes simplement minuscules. Au Lieu De Cela, sont ils ce que les physiciens appellent des systèmes de beaucoup-fuselage. « Un atome se compose d'un groupe entier d'autres particules, des électrons, neutrons, protons, et ainsi de suite, » Lonij a dit.

Quoique l'atome ne retienne dans son ensemble aucune charge électrique nette, les différentes particules chargées déménageant autour son intérieur sont ce qui produisent la force de fourgon-der-Waals en premier lieu.

« Ce Qui se produit est que les électrons, qui retiennent toute la charge négative, et les protons, qui retiennent toute la charge positive, ne sont pas toujours dans les mêmes lieux. Ainsi vous pouvez avoir de petites différences minuscules responsables qui flottent très rapidement. Si vous mettez une charge près d'une surface, vous induisez une charge d'image. D'une voie fortement simplifiée, vous pourriez dire que l'atome est attiré à sa propre réflexion. »

Aux physiciens, qui préfèrent des choses ordonnées et propres et menables avec des mathématiques acérées, il est difficile coincer un tel système, composé de beaucoup de plus petites particules changeant de plan autour de l'un l'autre. Pour ajouter à la complication, la plupart des surfaces ne sont pas propres. Car Lonij la met, « Comparer un système si modifié à la théorie est un défi important, mais nous avons figuré à l'extérieur une voie de la faire de toute façon. »

« Une grande critique de ce type de travail était toujours, « bien, vous mesurez ce potentiel d'atome-surface, mais vous ne savez pas ce que les ressembler extérieurs ainsi à vous ne savent pas ce que vous mesurez réellement. «  »

Pour éliminer ce problème, l'équipe de Lonij avait l'habitude différents types d'atomes et les a regardé comment chacune a agi l'un sur l'autre avec la même surface.

« Notre technique te donne le taux des potentiels directement sans connaître jamais le potentiel pour l'un ou l'autre des deux atomes, » il a dit. « Quand J'ai commencé il y a cinq ans, l'incertitude dans ces types de mesures était de 20 pour cent. Nous l'avons portée avalons à deux pour cent. »

La découverte la plus significative était que les électrons intérieurs d'un atome, satellisant le noyau à un domaine plus proche que les électrons externes de l'atome, influencent la voie que l'atome agit l'un sur l'autre avec la surface.

« Nous affichons que ces électrons de noyau contribuent au potentiel d'atome-surface, » Lonij avons dit, « ce qui a été seulement connu dans la théorie jusqu'ici. C'est la première démonstration expérimentale que les électrons de noyau affectent des potentiels d'atome-surface. »

« Mais ce qui est peut-être plus important, » il a ajouté, « est que vous pouvez également la tourner autour. Nous savons maintenant que les électrons de noyau affectent des potentiels d'atome-surface. Nous savons également qu'il est difficile de prévoir ces électrons de noyau dans la théorie atomique. Ainsi nous pouvons utiliser des mesures des potentiels d'atome-surface de rendre la théorie meilleure : La théorie de l'atome. »

Source : http://www.arizona.edu/

Last Update: 11. January 2012 10:48

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