物理學家首次測量單個原子間的范德華力

科學家用氙原子探針測量了沉積在分子網路結構上的稀有氣體原子性質。該實驗給單個原子間的微弱范德華力提供了信息。

巴塞爾大學瑞士納米科學的院物理學家們首次成功測量了單個原子間的微弱范德華力。為了實現這個實驗，他們首先將惰性氣體的原子固定在網狀分子結構中，然後把單個氙原子放置在原子力顯微鏡探針上，對惰性氣體分子進行測量。正常情況下，原子力隨著原子間距離變化而相應變化；但是在一些地方，科學家們觀測到了原子力幾倍於理論計算值的結果。這些結果也被發表在了《自然通訊》（Nature Communications）上。

范德華力作用於非極性原子或分子間。相比於化學鍵，范德華力十分微弱，但在自然界各種現象中廣泛存在。凝聚，黏附，摩擦，冷凝等等都和它息息相關。舉個例子，壁虎的「飛檐走壁」技能就得益於范德華力。

范德華力來源於分子或原子中電子的瞬時概率運動，可以相互配合產生一對方向相反的瞬時偶極矩，這一對瞬時偶極矩相互吸引被稱為范德華力。這些偶極矩只是瞬時存在但會不斷的重新形成。單個分子原子間的范德華力是自然界最微弱的作用力，但是他們累積在一起之後也達到了人類在宏觀上可以觀測感知的大小。

「納米燒杯」固定器

為了測量范德華力，來自巴塞爾的科學家們使用了配備氙原子探針的低溫原子力顯微鏡。他們將單個的氬，氪，氙原子放置在特殊的網狀分子結構上。這個網狀結構是在特殊實驗條件下的自組裝的，這個網狀結構里包含了一個個銅原子構成的「納米燒杯」，能像裝雞蛋一樣盛放惰性氣體原子。只有在這種特殊的實驗環境下才有可能檢測到原子探針和惰性氣體原子的微弱作用力，如果表面是純金屬的話惰性氣體分子則會四處滑動，

對比實驗數據與理論數據

研究人員將測量的數據和理論計算的數據以圖表形式進行對比。他們發現作用力理論計算結果如預料當中的一樣隨著原子間距離的增加而急劇減小，對所有惰性氣體原子實驗結果與理論結果圖線形狀、趨勢有很好的契合，但是實驗測量的絕對值要比理論值大很多。氙原子的測量值甚至是理論值的兩倍多。

科學家們猜測，有可能在惰性氣體原子間，偶爾也會發生電荷轉移，形成臨時的共價鍵。這樣也許能解釋實驗與理論間的差距。

這個國際科學家團隊有來自瑞士、日本、芬蘭、瑞典、德國的學者。他們用上述實驗設計測量到了最微弱的單個原子間作用力。他們的成果讓大家看到，原子力顯微鏡，這個已經存在了30年的實驗仍然可以幫助科學家們探索新的領域。

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