Des physiciens de l'Institut suisse des nanosciences et de l'Université de Bâle ont réussi pour la première fois à mesurer les très faibles forces de van der Waals entre des atomes individuels. Pour faire ça, ils ont fixé des atomes de gaz rares individuels au sein d'un réseau moléculaire et déterminé les interactions avec un seul atome de xénon qu'ils avaient placé à la pointe d'un microscope à force atomique. Comme prévu, les forces variaient selon la distance entre les deux atomes; mais, dans certains cas, les forces étaient plusieurs fois plus grandes que théoriquement calculées. Ces résultats sont rapportés par l'équipe internationale de chercheurs en Communication Nature .

Les forces de Van der Waals agissent entre les atomes et les molécules non polaires. Bien qu'elles soient très faibles par rapport aux liaisons chimiques, ils sont extrêmement importants dans la nature. Ils jouent un rôle important dans tous les processus liés à la cohésion, adhésion, frottement ou condensation et sont, par exemple, essentiel pour les compétences d'escalade d'un gecko.

Les interactions de Van der Waals surviennent en raison d'une redistribution temporaire des électrons dans les atomes et les molécules. Cela se traduit par la formation occasionnelle de dipôles, qui à leur tour induisent une redistribution des électrons dans les molécules étroitement voisines. En raison de la formation de dipôles, les deux molécules subissent une attraction mutuelle, ce qu'on appelle une interaction de van der Waals. Celui-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 ils s'additionnent pour atteindre des grandeurs que l'on perçoit très clairement à l'échelle macroscopique - comme dans l'exemple du gecko.

Fixé dans le nano-bécher

Pour mesurer les forces de van der Waals, des scientifiques de Bâle ont utilisé un microscope à force atomique à basse température avec un seul atome de xénon sur la pointe. Ils ont ensuite fixé l'argon individuel, atomes de krypton et de xénon dans un réseau moléculaire. Ce réseau, qui s'auto-organise sous certaines conditions expérimentales, contient des nano-béchers d'atomes de cuivre dans lesquels les atomes de gaz noble sont maintenus en place comme un œuf d'oiseau. Ce n'est qu'avec ce montage expérimental qu'il est possible de mesurer les forces minuscules entre la pointe du microscope et l'atome de gaz rare, car une surface de métal pur permettrait aux atomes de gaz noble de glisser.

Par rapport à la théorie

Les chercheurs ont comparé les forces mesurées avec les valeurs calculées et les ont affichées graphiquement. Comme prévu par les calculs théoriques, les forces mesurées diminuaient considérablement à mesure que la distance entre les atomes augmentait. Alors qu'il y avait un bon accord entre les formes de courbes mesurées et calculées pour tous les gaz rares analysés, les forces absolues mesurées étaient plus importantes que ce qui avait été prévu à partir des calculs selon le modèle standard. Surtout pour le xénon, les forces mesurées étaient supérieures aux valeurs calculées d'un facteur allant jusqu'à deux.

Les scientifiques partent du principe que, même dans les gaz rares, le transfert de charge se produit et donc des liaisons covalentes faibles sont parfois formées, ce qui expliquerait les valeurs plus élevées.

L'équipe internationale de scientifiques de Suisse, Japon, Finlande, La Suède et l'Allemagne ont utilisé le dispositif expérimental ci-dessus pour mesurer les plus petites forces jamais détectées entre des atomes individuels. Ce faisant, les chercheurs ont démontré qu'ils peuvent encore avancer dans de nouveaux domaines en utilisant la microscopie à force atomique, qui a été développé il y a exactement 30 ans.