Così deboli, così forti
Johannes Diderick van der Waals è il fisico olandese che per primo osservò queste delicate forze di natura elettrostatica, che a lui devono il nome, in grado di mantenere le molecole vicine tra loro. La natura e l'intensità delle forze di van der Waals dipendono dalle caratteristiche strutturali delle singole molecole, in particolare dalla distribuzione delle cariche elettriche. Quando cariche uguali ma di segno opposto si trovano a una certa distanza all'interno di una molecola, allora si dice che in quella molecola è presente un dipolo (cioè due poli elettrici, uno con carica positiva e uno con carica negativa). Può succedere che questi dipoli all'interno delle molecole siano "permanenti", costanti quindi nel tempo. A volte invece, come nel caso dei gas nobili, le molecole non sono polari ma il moto caotico degli elettroni può sbilanciare per brevissimi momenti la carica della molecola. In questo caso si parla di dipolo temporaneo. Perché abbiamo dedicato queste righe ai dipoli? Perché è proprio tra i dipoli di molecole diverse, siano essi permanenti o temporanei, che emergono le forze di van der Waals. Caratteristiche particolari? La loro intensità diventa sempre minore via via che aumenta la distanza tra le molecole. Nonostante si tratti di forze attrattive più deboli rispetto ai classici legami chimici, queste forze intermolecolari sono particolarmente importanti, tanto da permettere ai gechi di arrampicarsi su superfici verticali, alle proteine di assumere una struttura tridimensionale e sono alla base del funzionamento del microscopio a forza atomica.Misurare le forze di van der Waals: missione possibile
L'esperimento che i fisici svizzeri hanno messo a punto per misurare le singole forze di van der Waals è piuttosto semplice da descrivere, ma decisamente complesso se pensiamo che sono stati "manipolati" singoli atomi. Grazie a temperature ultrafredde è stato possibile intrappolare atomi di gas nobili, come argon, kripton e xenon, in una maglia molecolare in grado di inibire al massimo le vibrazioni di questi atomi. Per fare un paragone, si possono immaginare come delle uova custodite in un nido solido e compatto che ne impedisce ogni movimento. Un singolo atomo di xenon, poi, è stato posizionato sulla punta di un microscopio a forza atomica e avvicinato agli altri atomi intrappolati nella maglia molecolare.
Un atomo di xenon (sfera viola in alto) è posizionato alla punta di un microscopio a forza atomica ed avvicinato a un altro atomo di xenon (sfera viola in basso) posizionato all'interno di una maglia molecolare. Immagine: Università di Basilea, Dipartimento di Fisica
In questo modo è stato possibile monitorare le interazioni tra il singolo atomo e gli altri al variare della distanza. L'esperimento ha confermato quello che la teoria aveva già descritto: le forze di van der Waals diminuiscono rapidamente all'aumentare della distanza. Quello che è inaspettato, invece, è la forza di queste interazioni, risultata addirittura doppia rispetto al previsto. Capire il perché sarà il prossimo passo da compiere.
Immagine box di apertura: Università di Basilea, Dipartimento di fisica
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