Это так называемые силы Ван-дер-Ваальса, которые вездесущи по своей природе и, как считается, играют решающую роль в определении структуры, стабильности и функций самых разных систем в областях биологии, химии, физики и материаловедения.«Проще говоря, каждая молекулярная система и каждый материал в природе испытывают эти силы», — сказал Роберт А. ДиСтасио-младший, доцент кафедры химии и химической биологии Колледжа искусств и наук. «Фактически, мы обнаруживаем, что их влияние довольно обширно и включает в себя белковые и лекарственные взаимодействия, стабильность двойной спирали ДНК и даже особые адгезионные свойства лапы геккона».
По сравнению с ковалентной связью (которая включает разделение электронных пар между атомами), силы Ван-дер-Ваальса относительно слабы и возникают в результате мгновенных электростатических взаимодействий между колеблющимися электронными облаками, окружающими микроскопические объекты. Однако эти силы по-прежнему имеют квантово-механическое происхождение и на сегодняшний день представляют собой серьезную проблему как для теории, так и для эксперимента.
В статье, опубликованной в журнале Science от 11 марта, ДиСтазио и его соавтор Александр Ткаченко из Люксембургского университета и Института Фрица Хабера выдвинули новое предложение для описания сил Ван-дер-Ваальса между объектами на наноуровне.Вообще говоря, есть две точки зрения относительно этих сил. Преобладающее описание ван-дер-ваальсовых взаимодействий среди большинства химиков и биологов — это изображение двух индуцированных электрических диполей, похожих на северный и южный полюса магнита, представляющих неравномерное распределение положительных и отрицательных зарядов.
Однако картина, которой придерживаются многие физики, основана на том факте, что волнообразные флуктуации вакуума ответственны за ван-дер-ваальсовы взаимодействия между более крупными макроскопическими объектами.В своей работе ДиСтазио и Ткаченко демонстрируют, что эти фундаментальные силы между наноструктурами также должны описываться электростатическими взаимодействиями между волнообразными (или делокализованными) флуктуациями плотности заряда вместо вышеупомянутых частицоподобных (или локальных) индуцированных диполей. Они считают, что их работа может помочь преодолеть разрыв между этими двумя системами убеждений и помочь ученым понять и контролировать взаимодействия между объектами в наномасштабе.
«Наша работа демонстрирует, что существует гораздо более широкий спектр систем, таких как наноструктурированные системы, где вы должны думать о силе Ван-дер-Ваальса с точки зрения взаимодействий между волнами, а не взаимодействий между частицами», — сказал Ткаченко.Пол МакИуэн, профессор физических наук имени Джона А. Ньюмана и директор института Кавли в Корнелле по наноразмерным наукам, считает исследование дуэта важным первым шагом в долгом и сложном пути к тому, что МакЮен полушутя охарактеризовал как «решение биологии». . "«Это звучит как довольно скучная проблема, но на самом деле это очень важная проблема — способ сборки биомолекул и так далее», — сказал МакИуэн. «Это чрезвычайно важная проблема, особенно для кого-то вроде меня, который занимается наноиндустрией, но для ее решения потребуется время».Макьюэн воодушевлен этой работой и сказал, что он и ДиСтасио планируют сотрудничать в области соответствующих исследований в будущем.
«Эта работа обеспечивает концептуальную основу или общий язык, который биологи, химики, физики и материаловеды могут использовать для описания сил Ван-дер-Ваальса на наноуровне», — сказал ДиСтазио. «Он также обеспечивает вычислительную основу для точного предсказания того, как эти вездесущие взаимодействия влияют на физические и химические свойства материи».Это исследование было поддержано грантами Корнельского университета, Европейского исследовательского совета и Deutsche Forschungsgemeinschaft.