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Medição de van der Waals Força ajuda a entender estrutura dos átomos

Published on January 28, 2011 at 5:50 AM

Medir as forças atrativas entre átomos e superfícies com precisão sem precedentes, físicos da Universidade de Arizona produziram dados que podem refinar nossa compreensão da estrutura dos átomos e melhorar a nanotecnologia. A descoberta foi publicada na revista Physical Review Letters.

Forças de van der Waals são fundamentais para a biologia, química e física. No entanto, eles estão entre os mais fracos interações químicas conhecidas, de modo que eles são notoriamente difíceis de estudar. Esta força é tão fraca que é difícil perceber na vida cotidiana. Mas mergulhar no mundo das micro-máquinas e nano-robôs, e você vai sentir a força - em todos os lugares.

Estudante Vincent Lonij (à esquerda), professor associado de física Alex Cronin, assistente de pesquisa e pós-graduação Will Holmgren estudante Catherine Klauss executar a manutenção em uma câmara utilizada para átomos feixe através de uma grade para medir uma força minúscula que ajuda os físicos a compreender melhor a estrutura dos átomos .

"Se você fizer seus componentes pequenos o suficiente, eventualmente este potencial van-der-Waals começa a se tornar a interação dominante", disse Vincent Lonij, um estudante graduado no departamento de física UA que liderou a pesquisa como parte de sua tese de doutorado.

"Se você fizer pequenas, minúsculas engrenagens para um nano-robô, por exemplo, as engrenagens apenas ficar juntos e moer a um impasse. Queremos entender melhor como funciona essa força."

Para estudar a van-der Waals-força, Lonij e seus co-trabalhadores Will Holmgren, Cathy Klauss e professor associado de física Alex Cronin projetou um sofisticado arranjo experimental que pode medir as interações entre os átomos individuais e uma superfície. Os físicos tirar proveito da mecânica quântica, que afirma que os átomos podem ser estudados e descritos tanto como partículas e como ondas.

"Nós atirar um feixe de átomos através de uma grade, como uma espécie de cerca de piquete micro-escala", explicou Lonij. "Como os átomos passam através da grade, eles interagem com a superfície das barras de grelha, e podemos medir a interação."

Como os átomos passam por fendas na grade, a força de van-der-Waals atrai-los para as barras que separam as fendas. Dependendo de quão forte a interação, ele muda a trajetória do átomo, tal como um feixe de luz é desviada quando passa através da água ou um prisma.

Uma onda que passa pelo meio da fenda faz relativamente livre. Por outro lado, se uma onda átomo passa por perto bordas da fenda, ele interage com a superfície e salta um pouco à frente, "fora de fase", como dizem os físicos.

"Depois de os átomos passam através da grade, nós detectamos o quanto as ondas estão fora de fase, que nos diz o quão forte o potencial van-der-Waals foi quando os átomos interagem com a superfície."

Misteriosa quanto parece, sem a força van-der-Waals, a vida seria impossível. Por exemplo, ele ajuda as proteínas que compõem o nosso corpo a dobrar nas estruturas complexas que lhes permitem ir sobre seus empregos altamente especializados.

Ao contrário de atração magnética, que afeta apenas os metais ou matéria transportando uma corrente elétrica, van-der-Waals forças fazem grudar qualquer coisa a qualquer coisa, desde que os dois são extremamente próximos uns dos outros. Porque a força é tão fraca, sua ação não alcance além da escala de átomos - que é precisamente a razão pela qual não há provas de tal força em nosso mundo cotidiano e por que deixar para os físicos, tais como Lonij para desvendar a sua segredos.

Inicialmente, ele foi impulsionado apenas pela curiosidade, Lonij disse. Quando começou seu projeto, ele não sabia que levaria a uma nova forma de medir as forças entre átomos e superfícies que podem mudar a maneira como os físicos pensam sobre átomos.

E com um sorriso, ele acrescentou, "Eu pensei que seria apropriado para estudar essa força, já que sou da Holanda; Mr. van der Waals foi holandês, também."

Além de provar que os elétrons do núcleo contribuir para o potencial de van-der-Waals, Lonij e seu grupo fez outra descoberta importante.

Físicos ao redor do mundo que estão estudando a estrutura do átomo estão se esforçando para benchmarks que lhes permitam testar suas teorias sobre como os átomos funcionam e interagem. "Nossas medições de átomo-superfície potenciais podem servir de referência tal", explicou Lonij. "Nós podemos agora testar a teoria atômica de uma nova maneira."

Estudar como os átomos interagem é difícil porque eles não são bolas simplesmente minúsculo. Em vez disso, eles são o que os físicos chamam de sistemas de muitos corpos. "Um átomo consiste de um monte de outras partículas, os elétrons, nêutrons, prótons, e assim por diante", disse Lonij.

Mesmo que o átomo como um todo não possui nenhuma carga elétrica líquida, as partículas carregadas diferentes que se movimentam em seu interior são o que criam a força de van-der-Waals, em primeiro lugar.

"O que acontece é que os elétrons, que possuem toda a carga negativa e os prótons, que possuem toda a carga positiva, nem sempre nos mesmos lugares. Então você pode ter pequenas diferenças pouco na acusação de que estão flutuando muito rápido. Se você coloca uma carga perto de uma superfície, você induz uma carga imagem. De uma maneira bastante simplificada, pode-se dizer o átomo é atraído para o seu próprio reflexo. "

Para os físicos, que preferem as coisas pura e limpa e dócil com nítidas matemática, tal sistema, composto de muitas partículas menores zoom em torno de si, é difícil de definir. Adicionar à complicação, a maioria das superfícies não são limpos. Lonij como coloca, "Comparando esse sistema sujo com a teoria é um grande desafio, mas nós descobrimos uma maneira de fazê-lo de qualquer maneira."

"A grande crítica deste tipo de trabalho sempre foi, 'bem, você está medindo este potencial átomo-superfície, mas você não sabe o que a superfície parece que você não sabe o que está realmente medindo. "

Para eliminar este problema, a equipe Lonij usou diferentes tipos de átomos e olhou para a forma como cada interagiram com a mesma superfície.

"Nossa técnica dá-lhe a razão de potenciais diretamente, sem nunca saber o potencial de qualquer um dos dois átomos", disse ele. "Quando comecei, há cinco anos, a incerteza nestes tipos de medidas foi de 20 por cento. Trouxemos para baixo a dois por cento."

A descoberta mais importante foi que os elétrons interior de um átomo, orbitam o núcleo de uma análise mais ampla do que os elétrons do átomo exterior, influenciam o modo como o átomo interage com a superfície.

"Nós mostramos que esses elétrons núcleo contribuir para o potencial átomo-superfície", disse Lonij ", que era conhecido apenas na teoria até agora. Esta é a primeira demonstração experimental de que os elétrons do núcleo afetam átomo-superfície potenciais."

"Mas o que é talvez mais importante," ele acrescentou, "é que você também pode dar a volta. Sabemos agora que os elétrons do núcleo afetam átomo-superfície potenciais. Sabemos também que esses elétrons do núcleo são difíceis de calcular na teoria atômica. Assim, podemos usar as medidas de átomo-superfície potencial para fazer melhor a teoria: A teoria do átomo ".

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

Last Update: 9. October 2011 03:49

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