Comme les forces gravitationnelles qui sont responsables de l'attraction entre la Terre et la Lune, ainsi que la dynamique de l'ensemble du système solaire, il existe des forces d'attraction entre les objets à l'échelle nanométrique.

Ce sont les forces dites de van der Waals, qui sont omniprésents dans la nature et censés jouer un rôle crucial dans la détermination de la structure, stabilité et fonction d'une grande variété de systèmes dans les domaines de la biologie, chimie, physique et science des matériaux.

"Pour faire simple, chaque système moléculaire et chaque matière dans la nature expérimente ces forces, " a déclaré Robert A. DiStasio Jr., professeur adjoint de chimie et de biologie chimique à la Faculté des arts et des sciences. "En réalité, nous constatons que leur influence est assez étendue, et inclut les interactions protéine-médicament, la stabilité de la double hélice d'ADN, et même les propriétés d'adhérence particulières du pied du gecko."

Par rapport à la liaison covalente (qui implique le partage de paires d'électrons entre les atomes), Les forces de van der Waals sont relativement faibles et résultent d'interactions électrostatiques instantanées entre les nuages ​​d'électrons fluctuants qui entourent les objets microscopiques. Cependant, ces forces sont toujours d'origine quantique et ont posé un défi de taille à la fois pour la théorie et l'expérience à ce jour.

Dans un article paru dans le numéro du 11 mars de Science , DiStasio et son collaborateur Alexandre Tkatchenko de l'Université du Luxembourg et de l'Institut Fritz Haber ont présenté une nouvelle proposition pour décrire les forces de van der Waals parmi les objets à l'échelle nanométrique.

En général, il existe deux écoles de pensée concernant ces forces. La description qui prévaut des interactions de van der Waals parmi la plupart des chimistes et des biologistes est l'image de deux dipôles électriques induits, semblable aux pôles N et S d'un aimant, représentant les distributions inégales des charges positives et négatives. L'image adoptée par de nombreux physiciens, cependant, se concentre sur le fait que les fluctuations du vide ondulatoires sont responsables des interactions de van der Waals parmi les objets macroscopiques plus grands.

Dans leur travail, DiStasio et Tkatchenko démontrent que ces forces fondamentales entre les nanostructures doivent également être décrites par les interactions électrostatiques entre les fluctuations de densité de charge ondulatoires (ou délocalisées) au lieu des dipôles induits par des particules (ou locaux) susmentionnés. Ils pensent que leur travail pourrait aider à combler le fossé entre ces deux systèmes de croyances, et aider les scientifiques à comprendre et à contrôler les interactions entre les objets à l'échelle nanométrique.

« Notre travail démontre qu'il existe une plus grande variété de systèmes, tels que les systèmes nanostructurés, où il faut penser à la force de van der Waals en termes d'interactions entre ondes au lieu d'interactions entre particules, " a déclaré Tkatchenko.

Paul McEuen, le professeur John A. Newman de sciences physiques et directeur de l'Institut Kavli à Cornell pour la science à l'échelle nanométrique, considère la recherche du duo comme une première étape importante dans une longue, voyage compliqué vers ce que McEuen a qualifié en plaisantant à moitié de « résolution de la biologie ».

"Cela ressemble à un problème plutôt ennuyeux, mais c'est en fait un problème très important, la façon dont les biomolécules s'assemblent et ainsi de suite, " a déclaré McEuen. " C'est un problème extrêmement important, surtout pour quelqu'un comme moi, qui est un nano, mais ça va prendre du temps à résoudre."

McEuen est enthousiasmé par le travail, et a déclaré que lui et DiStasio s'attendent à collaborer à l'avenir sur des recherches connexes.

« Ce travail fournit un cadre conceptuel, ou langue commune, que les biologistes, chimistes, les physiciens et les scientifiques des matériaux peuvent utiliser pour décrire les forces de van der Waals à l'échelle nanométrique, " DiStasio a déclaré. " Il fournit également un cadre informatique pour prédire avec précision comment ces interactions omniprésentes influencent les propriétés physiques et chimiques de la matière. "