Международный коллектив физиков из США и Китая при помощи сканирующего туннельного микроскопа впервые получил изображения монослоя атомов ксенона, на котором, как предполагают авторы, запечатлены ван дер Ваальсовы связи. Статья опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters.

Силы Ван-дер-Ваальса являются одними из самых слабых межатомных взаимодействий, однако их особенностью является то, что они проявляются между атомами любых элементов, независимо от их химического сродства. Благодаря этому силы Ван-дер-Ваальса существуют даже между атомами инертных газов, приводя к их слабой ассоциации и образованию конденсированных сред (жидких и твердых). Несмотря на то, что роль Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий в различных процессах хорошо известна, их не удавалось запечатлеть в явном виде, так как до сих пор не ясно, сопутствует ли этим силам какое-либо явное изменение электронной плотности, которое можно «увидеть» при помощи тех или иных экспериментов.

Схема эксперимента и пример полученного изображения. Изображение: Zhumin Han et al./ J. Phys. Chem. Lett.

Авторы новой работы исследовали слои атомов ксенона, адсорбированные на различных подложках — кристаллическом серебре и крупных органических молекулах. Для этого ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп с серебряным зондом, на конце которого была адсорбирована одна молекула угарного газа (CO). В качестве сигнала служило изменение энергии колебаний этой молекулы в зависимости от ее окружения: так, когда зонд находился над условной линией, соединявшей два атома ксенона, энергия колебаний CO уменьшалась, а при перемещении его во «впадину» между тремя соседними атомами — увеличивалась.

По результатам проведенных исследований авторы получили карты с изображением адсорбированного ксенона. На них хорошо различимы атомы инертного газа, но, кроме того, видны и линии, соединяющие соседние атомы. Авторы трактуют эти данные как визуализацию Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий, так как чувствительность CO-зонда позволяет различить даже такие слабые искажения в окружении.

Изображения, полученные для разупорядоченных атомов ксенона: (a-c) рельеф, полученный в режиме постоянного тока; (d-f) туннельный ток при постоянной высоте, а также его первая и вторая производные по разности потенциалов. Изображение: Zhumin Han et al./ J. Phys. Chem. Lett.

Новая работа успела вызвать волну обсуждений в среде физиков, близких к этой области. Несмотря на то, что участники соглашаются с высоким экспериментальным уровнем проведенного исследования, не все принимают трактовку, предложенную авторами. В частности, в похожей работе авторы изучали, насколько хорошо можно визуализировать водородные связи при помощи атомно-силовой микроскопии с CO-зондом. В этой статье ученые пришли к выводу, что наблюдающиеся на картах линии между атомами возникают вследствие искажений при измерении силы, таким образом их нельзя считать визулизацией водородных связей.

Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия играют роль не только на масштабах, близких к размеру атомов или молекул, как это происходит в случае конденсации инертных газов. Из-за того, что эти силы аддитивны, при взаимодействии двух более крупных тел (коллоидных частиц, например), вклады от всех атомов суммируются, что в итоге приводит к появлению взаимодействия, заметного уже не на нано-, а не микро-уровне. Так, в хорошо известной теории, описывающей устойчивость коллоидных растворов (к ним относятся всевозможные наночастицы, взвеси квантовых точек и тому подобное) именно Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия играют одну из ключевых ролей и приводят к слипанию частиц и выпадению осадка, если систему дополнительно не стабилизировать.

Автор: Тарас Молотилин