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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Quantenphysik: Doppelspaltexperiment/Verschränkung (Video Prof. Dr. Anton Zeilinger)

“… Es stellt sich letztlich heraus, dass Information ein wesentlicher Grundbaustein der Welt ist. 

Wir müssen uns wohl von dem naiven Realismus, nach dem die Welt an sich existiert, 

ohne unser Zutun und unabhängig von unserer Beobachtung, irgendwann verabschieden.”

Zitat: Anton Zeilinger, Physiker an der Universität Wien (Video)

Beobachtung und Information ist alles!

Videolink: https://www.youtube.com/watch?v=L-zC2k13nMM

Ein Video - einfach zum nachdenken!
Die Quantenphysik stellt neben der Relativitätstheorie einen Grundpfeiler der modernen Physik dar und lässt sich heute aus kaum einem Teilbereich der Physik mehr wegdenken. Besonders deutlich zeigen sich die Unterschiede zwischen der Quantenphysik und der klassischen Physik im mikroskopisch Kleinen (z. B. Aufbau der Atome und Moleküle) oder in besonders „reinen" Systemen (z. B. Supraleitung, Laserstrahlung, ...).

Aber auch ganz alltägliche Dinge wie die chemischen oder physikalischen Eigenschaften verschiedener Stoffe (Farbe, Magnetismus, elektrische Leitfähigkeit, ...) lassen sich nur quantenpyhsikalisch verstehen. Wie unsere Realität, unsere Wirklichkeit beschaffen ist auch das ist eine Frage die nur die Quantenphysik letztendlich wissenschaftlich lösen kann. Und es geht weiter - immer neue Experimente lassen uns hinter den Schleier der scheinbaren Wirklichkeiten blicken. Doch vielen machen diese Entwicklung und die Erkenntnisse auch Angst. Die Mehrheit der heutigen Physiker gehen daher den Fragen die dieses Video aufwirft lieber gleich aus dem Weg! 
Quelle: BRὰ / Prof.Dr. Anton Zeilinger

Fitness-und Diät-Irrtümer

Wissen: Auf Gesundes wie Salat oder Gemüse haben wir in den meisten Fällen niemals Heißhunger, sondern auf Süßigkeiten, Hamburger, Sachertorte, Schokolade oder Apfelstrudel. Der Organismus bevorzugt einfach gesagt Hochkalorisches mehr als Gesundes. 

Die DNA ist schuld?

Warum, das wissen nur unsere Gene.
Für die meisten Menschen steht die Wahl schon fest, wenn sie sich nur den Geschmack vorstellen: Geht es um den Appetit, geben wir Nahrungsmitteln mit viel Fett und Zucker den Vorzug. Dass danach oft ein schlechtes Gewissen, Sodbrennen, Völlegefühl ja sogar Magenschmerzen auftreten können, dass die Waage noch weiter ausschlägt und die Badekleidung spannt, wird erst später bedacht.

Warum die Meisten von uns Süßigkeiten, Pizza etc. so unwiderstehlich finden, erklärt der Physiker und Sportwissenschaftler Mark Apolin aus Wien wie folgt:
Hunger ist nicht nur ein physiologischer Vorgang und wird im Gehirn im Hypothalamus geregelt, Nahrungsaufnahme steht auch mit Gefühlen und dem Belohnungszentrum in Zusammenhang. Die Gene "wissen" offenbar, dass kalorienarme Speisen einen zu geringen Brennwert zum Überleben haben, und schalten bei Verzicht auf "Alarm". ...