Liksom gravitationskrafterna som är ansvariga för attraktionen mellan jorden och månen samt dynamiken i hela solsystemet finns det attraktiva krafter mellan objekt på nanoskala. Dessa är de så kallade van der Waals-krafterna, som är allestädes närvarande och som anses spela en avgörande roll för att bestämma strukturen, stabiliteten och funktionen hos en mängd olika molekyler och material.
En grupp forskare, ledd av Alexandre Tkatchenko, professor vid Luxemburgs universitet, visade att dessa krafters sanna natur skiljer sig från konventionell visdom inom kemi och biologi. Forskarna visade att dessa interaktioner måste behandlas som koppling mellan vågor snarare än som ömsesidig attraktion mellan partiklar. ’I det enklaste fallet kan du tänka på två kedjor av atomer och du kan identifiera punkter i dessa kedjor som lockas till varandra. Vanligtvis skulle du beräkna van der Waals energi genom att bara summera alla dessa par ”, förklarar Alexandre Tkatchenko, professor i kondenserad fysik vid fakulteten för naturvetenskap, teknik och kommunikation (FSTC) vid Luxemburgs universitet. ”Vi visade dock att på realistiska avstånd mellan nanoskala material är detta inte sant, och istället för partiklar måste du se dem som vågor. Detta påverkar drastiskt hur vi tänker om dessa allestädes närvarande interaktioner. ”
Forskningen kommer sannolikt att ha en viktig inverkan på materialvetenskap. Under de senaste två decennierna lyckades forskare ändra egenskaperna hos befintliga material genom att införliva nanomaterial, till exempel förbättrade de stressresponsen eller uppnådde hög konduktivitet hos polymerkompositer. ”För att förstå alla egenskaper hos sådana nanokompositer måste du förstå hur de monteras själv på nanoskala. Monteringen av dessa material drivs huvudsakligen av van der Waals interaktioner, tillägger prof Tkatchenko. Eftersom van der Waals krafter är kritiska för många industriella tillämpningar, såsom tillverkning av nanokompositer, kan detta arbete ha stor inverkan på förfining av bearbetningstekniker inom det området.
Artikeln med titeln 'Wavelike Charge Density Fluctuation and van der Waals Interactions at the Nanoscale' är resultatet av ett internationellt och tvärvetenskapligt samarbete mellan fyra forskningsinstitutioner (Fritz Haber Institute of Max Planck Society, University of Padova, Cornell University, och Luxemburgs universitet). ’Detta arbete ger både en kvalitativt korrekt konceptuell ram för att beskriva van der Waals krafter på nanoskala såväl som en kvantitativt noggrann beräkningsram för att förutsäga hur dessa allestädes närvarande interaktioner påverkar materiens fysiska och kemiska egenskaper’, tillägger Robert A. DiStasio Jr. , Biträdande professor i kemi och kemisk biologi vid Cornell University (USA) och en av de ledande medförfattarna.