Quantenphysik löst das Van-der-Waals-Kraft Rätsel.

Warum die Anziehungskraft zwischen ungeladenen Molekülen weiter reicht als bisher gedacht, konnte durch quantenmechanische Berechnungen erklärt werden. Das alte klassische Physik-Modell hat dabei versagt.

Gecko haftet auf Glaswand, ©: siehe Textende

Die, zwischen Atomen und Molekülen wirkende Van-der-Waals-Kraft wirkt stärker als gedacht. Ihre Reichweite liegt bei bis zu 100 Nanometern, statt nur -wie bisher angenommen- bei einem Nanometer. Dies haben nun Physiker herausgefunden, als sie die Kraft erstmals über quantenmechanische Wellenfunktionen statt über klassische Modelle berechneten. Ihre im Fachmagazin "Science" veröffentlichten Ergebenisse klären auch die bisher rätselhaften Diskrepanzen zwischen Messungen und Modell.

Van-der-Waals-Kräfte sorgen dafür, dass Gase unterhalb einer bestimmten Temperatur zu Flüssigkeiten kondensieren. Sie geben Klebstoff für seine seine Haftkraft und lassen einen Gecko kopfüber sogar an einer Glaswand hängen. Diese, zwischen Teilchen aktiven elektrostatischen Kräfte wirken zwischen polaren Molekülen, aber auch zwischen elektrisch neutralen Atomen und Molekülen, wie beispielsweise dem Wasser. Dies funktioniert, weil sich Elektronen in der Hülle der Atome vorübergehend verschieben und so das Molekül leicht polarisieren. ... 

Obwohl die Van-der-Waals-Kräfte schon lange bekannt sind, gibt es mit ihrer physikalischen und mathematischen Beschreibung ein Problem: Dem klassischen Modell nach, nimmt diese zwischen einzelnen Atomen wirkende Kraft mit der siebten Potenz des Abstandes ab. Das bedeutet, dass diese Anziehung nur etwa einen Nanometer weit wirken dürfte, doch das ist wie oben beschrieben nicht so.

Quantenmechanische Wellenfunktion statt klassisches Teilchen

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Warum das so ist, haben nun Alberto Ambrosetti vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin und seine Kollegen nun erstmals auch theoretisch begründet. Ihre Berechnungen beruhen dabei erstmals auf einem quantenmechanischen Modell.

Das Bemerkenswerte dabei: Die Physiker betrachteten die Bewegung der Elektronen um den Atomkern als Wellenfunktionen, wie es in der Quantenphysik üblich ist. Die Van-der-Waals-Kraft interpretierten sie dabei als Wechselwirkung dieser Wellen bei zwei benachbarten Atomen "Wenn man zwei Moleküle oder Nanostrukturen einander nähert, dann interagieren die Wellen, also die jeweiligen Elektronenschwingungen, miteinander", erklärt der Mitautor Alexandre Tkatchenko vom Fritz-Haber-Institut.

Aus den neuen Berechnungen ergibt sich, dass die Van-der-Waals-Kraft tatsächlich mit der Entfernung deutlich langsamer abnimmt als bislang angenommen. "Bis zu 100 Nanometer weit wirkt diese Anziehung", so Tkatchenko. Eine weitere neue Erkenntnis: Der Grad der Abnahme ist keineswegs konstant, sondern variiert seinerseits mit dem Abstand! Für ihr Modell hatten die Forscher unter anderem berechnet, welche Kräfte zwischen zwei ebenen Graphenschichten wirken, wie stark sich Kohlenstoffnanoröhrchen anziehen und wie stark die Anziehung zwischen einer Kette aus Kohlenstoffatomen und einem Protein-Molekül ist. Ihre Ergebnisse stimmten dabei gut mit den experimentellen Befunden anderer Forscher überein.

Nach Ansicht der Wissenschaftler ist dies ein echter Paradigmenwechsel bei der Beschreibung der Van-der-Waals-Wechselwirkung. Die neuen Erkenntnisse haben jedoch auch große Bedeutung für konkrete Anwendungen, darunter die Klebstoff-Forschung oder die Werkstofftechnik.
Tkatchenko: "Nehmen Sie ein Flugzeug, dessen Bauteile basieren heute zunehmend auf Polymer-Materialien". Wie sich die einzelnen Polymer-Moleküle beim Erstarren zueinander anordnen, bestimmen maßgeblich die zwischen ihnen wirkenden Van-der-Waals-Kräfte." Auch für Wirkstoffentwickler etwa in der Pharmaindustrie könne eine bessere Beschreibung von Van-der-Waals-Kräften hilfreich sein. Denn sie entscheiden darüber, wie gut sich ein Wirkstoffmolekül an eine Zielstruktur im Organismus bindet.
Quellen: Science, 2016; doi: 10.1126/science.aae0509; u.a./Max-Planck-Gesellschaft, 11.03.2016 - NPO.
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