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Posted in | Nanoelectronics

Misurazione della forza di Van Der Waals aiuta a comprendere struttura degli atomi

Published on January 28, 2011 at 5:50 AM

Misurare le forze di attrazione tra gli atomi e le superfici con una precisione senza precedenti, di fisici dell'Università dell'Arizona hanno prodotto dati che potrebbe affinare la nostra comprensione della struttura degli atomi e migliorare la nanotecnologia. La scoperta è stata pubblicata sulla rivista Physical Review Letters.

Forze di van der Waals sono fondamentali per la chimica, la biologia e la fisica. Tuttavia, essi sono tra i più deboli interazioni chimiche note, quindi sono notoriamente difficili da studiare. Questa forza è così debole che è difficile da notare nella vita quotidiana. Ma approfondire il mondo delle micro e nano-macchine-robot, e vi sentirete la forza - in tutto il mondo.

Studente laureato Vincent Lonij (a sinistra), professore associato di fisica Alex Cronin, assistente di ricerca Will Holmgren e studente universitario Caterina Klauss eseguire la manutenzione di una camera usata per gli atomi del fascio attraverso una grata per misurare una forza piccola che aiuta i fisici a comprendere meglio la struttura degli atomi .

"Se fai i componenti abbastanza piccolo, alla fine questo van-der-Waals potenziale inizia a diventare l'interazione dominante", ha detto Vincent Lonij, uno studente laureato nel dipartimento UA di fisica che ha guidato la ricerca come parte della sua tesi di dottorato.

"Se si fanno piccoli, minuscoli ingranaggi per un nano-robot, ad esempio, tali attrezzi solo stare insieme e fermerebbe. Vogliamo capire meglio come funziona questa forza."

Per studiare il van-der-Waals, Lonij ed i suoi collaboratori Will Holmgren, Cathy Klauss e professore associato di fisica Alex Cronin progettato un setup sperimentale sofisticato in grado di misurare le interazioni tra singoli atomi e una superficie. I fisici approfittare della meccanica quantistica, in cui si afferma che gli atomi possono essere studiati e descritti sia come particelle e come onde.

"Abbiamo sparare un fascio di atomi attraverso una grata, una specie di micro-scala steccato", ha spiegato Lonij. "Come gli atomi passano attraverso la grata, in cui interagiscono con la superficie delle barre grata, e siamo in grado di misurare l'interazione."

Come gli atomi passano attraverso le fessure della griglia, il van-der-Waals li attrae le sbarre che separano le fessure. A seconda di come l'interazione forte, che cambia traiettoria dell'atomo, proprio come un fascio di luce viene deviata quando passa attraverso l'acqua o un prisma.

Un'onda passa per il centro della fenditura fa relativamente sgombra. D'altra parte, se un'onda atomo passa vicino bordi della fessura, esso interagisce con la superficie e salta un po 'avanti, "fuori fase", come dicono i fisici.

"Dopo gli atomi passano attraverso la grata, si rileva quanto le onde sono fuori fase, che ci dice quanto sia forte il van-der-Waals potenziale è stato quando gli atomi interagiscono con la superficie."

Misterioso come sembra, senza il van-der-Waals forza, la vita sarebbe impossibile. Per esempio, aiuta le proteine ​​che compongono il nostro corpo a volte nelle strutture complesse che consentono loro di andare circa il loro lavoro altamente specializzati.

A differenza di attrazione magnetica, che interessa solo i metalli o sostanze che trasportano la corrente elettrica, van-der-Waals forze bastone fanno nulla per nulla, a condizione che i due sono molto vicini gli uni agli altri. Perché la forza è così debole, la sua azione non oltrepassano la scala degli atomi - che è precisamente il motivo per cui non ci sono prove di una tale forza nel nostro mondo di tutti i giorni e perché lo lasciamo ai fisici come Lonij per svelare la sua segreti.

Inizialmente, era dettati semplicemente dalla curiosità, Lonij detto. Quando ha iniziato il suo progetto, non sapeva che avrebbe portato ad un nuovo modo di misurare le forze tra atomi e superfici che possono cambiare il modo in cui i fisici pensare atomi.

E con un sorriso, ha aggiunto, "ho pensato che sarebbe stato opportuno studiare questa forza, dato che sono provenienti dai Paesi Bassi, il signor van der Waals era olandese, anche."

Oltre a dimostrare che gli elettroni core contribuiscono al-van-der Waals potenziale, Lonij e il suo gruppo fece un'altra importante scoperta.

I fisici di tutto il mondo che stanno studiando la struttura dell'atomo si sforzano di benchmark che permettono di testare le loro teorie su come gli atomi di lavorare e interagire. "Le nostre misurazioni di atomo-superficie obiettivi possono servire come punti di riferimento quali" Lonij spiegato. "Ora possiamo testare la teoria atomica in un modo nuovo".

Studiare come gli atomi interagiscono è difficile perché non sono semplicemente le palle piccole. Invece, sono quello che i fisici chiamano sistemi a molti corpi. "Un atomo è costituito da un insieme di altre particelle, elettroni, neutroni, protoni, e così via", ha detto Lonij.

Anche se l'atomo nel suo complesso non detiene alcuna carica elettrica netta, le diverse particelle carica muoversi al suo interno sono ciò che creare il van-der-Waals, in primo luogo.

"Quello che succede è che gli elettroni, che contengono tutta la carica negativa, ed i protoni, che contengono tutta la carica positiva, non sono sempre negli stessi luoghi. Così si può avere piccole piccole differenze in carica che sono fluttuanti molto veloce. Se si mette una carica vicino ad una superficie, si induce una carica immagine. In modo molto semplificato, si potrebbe dire che l'atomo è attratta dal suo riflesso. "

Per i fisici, che preferiscono le cose ordinato e pulito e trattabile con taglienti matematica, un tale sistema, costituito da molte particelle più piccole zoom intorno a vicenda, è difficile da definire. Per aggiungere la complicazione, la maggior parte delle superfici non sono pulite. Come Lonij dice, "Confronto tra un sistema sporco di teoria è una grande sfida, ma abbiamo trovato un modo per farlo comunque."

"Una grande critica di questo tipo di lavoro è sempre stato, 'bene, si misura questo atomo-superficie potenziale, ma non sai quello che la superficie sembra quindi non sa cosa si sta realmente di misura.' "

Per eliminare questo problema, il team di Lonij ha usato diversi tipi di atomi e guardò come ogni interagito con la superficie stessa.

"La nostra tecnica offre il rapporto tra potenzialità direttamente senza mai conoscere il potenziale di uno dei due atomi", ha detto. "Quando ho iniziato cinque anni fa, l'incertezza in questo tipo di misurazioni è stata del 20 per cento. Abbiamo portato a due per cento".

La scoperta più significativa è che gli elettroni interni di un atomo, in orbita attorno al nucleo ad una distanza più ravvicinata rispetto elettroni esterni dell'atomo, influenza il modo in cui l'atomo interagisce con la superficie.

"Abbiamo dimostrato che questi elettroni nucleo contribuire alla atomo-superficie potenziale", Lonij ha detto, "che era conosciuta solo in teoria fino ad ora. Questa è la prima dimostrazione sperimentale che gli elettroni nucleo influenzano atomo-superficie potenzialità."

"Ma quello che forse è più importante", ha aggiunto, "è che si può anche girare intorno. Ora sappiamo che gli elettroni nucleo influenzare atomo-superficie potenzialità. Sappiamo anche che questi elettroni nucleo sono difficili da calcolare in teoria atomica. Quindi possiamo usare le misure di atomo-superficie potenziale per fare meglio la teoria: La teoria dell'atomo ".

Fonte: http://www.arizona.edu/

Last Update: 3. October 2011 10:01

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