Les forces de Van der Waals des atomes individuels mesurées pour la première fois

Pour la première fois, des scientifiques ont réussi à mesurer l’intensité des très faibles forces de van der Waals qui s’exercent entre des atomes individuels.

Des atomes de gaz nobles déposés sur un réseau moléculaire sont étudiés avec une pointe de sondage décorée d’un atome de Xe. Les mesures donnent des informations sur les très faibles forces de van der Waals entre ces atomes individuels. Crédit image : Université de Bâle.

Selon les physiciens, les forces de van der Waals font partie des interactions les plus faibles, mais les plus décisives, qui régissent les processus de condensation et d’agrégation et le comportement de phase de la matière atomique et moléculaire.

Les interactions de Van der Waals sont dues à une redistribution temporaire des électrons dans les atomes et les molécules. Il en résulte la formation occasionnelle de dipôles, qui induisent à leur tour une redistribution des électrons dans les molécules étroitement voisines.

En raison de la formation de dipôles, les deux molécules subissent une attraction mutuelle, appelée interaction de Van der Waals. Celle-ci n’existe que temporairement mais se reforme à plusieurs reprises.

Les forces individuelles sont les forces de liaison les plus faibles qui existent dans la nature, mais elles s’additionnent pour atteindre des magnitudes que nous pouvons percevoir très clairement à l’échelle macroscopique.

Pour mesurer les forces de van der Waals, une équipe de physiciens dirigée par l’Université de Bâle et l’Université d’Aalto a utilisé un microscope à force atomique à basse température avec un seul atome de xénon (Xe) sur la pointe.

Les scientifiques ont ensuite fixé les atomes individuels d’argon (Ar), de krypton (Kr) et de Xe dans un réseau moléculaire.

Ce réseau, qui s’auto-organise dans certaines conditions expérimentales, contient des nano-becs d’atomes de cuivre dans lesquels les atomes de gaz rares sont maintenus en place comme un œuf d’oiseau. Ce n’est qu’avec ce dispositif expérimental qu’il a été possible de mesurer les forces infimes entre la pointe du microscope et l’atome de gaz noble, car une surface métallique pure permettrait aux atomes de gaz noble de glisser.

“Nous mesurons les interactions paradigmatiques de van der Waals représentées par les paires d’atomes de gaz noble Ar-Xe, Kr-Xe et Xe-Xe avec une pointe fonctionnalisée Xe d’un microscope à force atomique à basse température. Les atomes de gaz rares individuels ont été fixés aux sites de nœuds d’une structure métallo-organique bidimensionnelle confinée en surface”, ont déclaré les physiciens.

Ils ont découvert que l’ampleur de l’interaction de van der Waals varie en fonction de la taille de l’atome de gaz noble sur la surface, c’est-à-dire dans l’ordre Xe-Xe > ; Kr-Xe > ; Ar-Xe.

“Les mesures de force systématiques ont établi les profondeurs des courbes de potentiel pour Xe-Ar, Xe-Kr et Xe-Xe à 18,1, 26,1 et 35,9 meV, respectivement, ce qui est en accord avec la tendance attendue”, ont-ils déclaré.

“On a constaté que les queues des interactions de Xe-Ar et Xe-Kr présentaient des relations de van der Waals.^-6 Cependant, la force effective de l’interaction dépend de l’influence de la pointe et du substrat sur la polarisabilité atomique, ce qui conduit à un écart par rapport au comportement d’un atome de gaz noble isolé. “

“Pour l’interaction Xe-Xe, nous trouvons une déviation de la loi de puissance de van der Waals, que nous interprétons comme un effet d’une interaction covalente plus forte entre les atomes de Xe.”

L’équipe part de l’hypothèse que, même dans les gaz nobles, un transfert de charge se produit et que, par conséquent, des liaisons covalentes faibles sont occasionnellement formées, ce qui expliquerait les valeurs plus élevées.

Les résultats ont été publiés le 13 mai 2016 dans la revue. Nature Communications.