Van-der-Waals-Kräfte haften besser als gedacht

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Bis zu 100 Nanometer weit wirkt die Anziehung

Unter den gemachten Annahmen war es den Wissenschaftlern dann möglich, den energetischen Zustand zweier benachbarter Moleküle oder auch zweier Nanostrukturen zu berechnen – und damit auch auf die zwischen ihnen jeweils wirkende Kraft zu schließen. Diese Berechnung spielten sie für beliebige Abstände durch. Dabei stellten sie unter anderem fest, dass die Van-der-Waals-Kraft bei zunehmender Entfernung deutlich langsamer abnimmt als bislang angenommen. Damit ist ihre Reichweite viel größer als aus dem herkömmlichen Modell zu schließen war. „Bis zu 100 Nanometer weit wirkt diese Anziehung“, so Alexandre Tkatchenko. Eine weitere neue Erkenntnis: Der Grad der Abnahme, also der genannte Exponent, ist keineswegs konstant, sondern variiert seinerseits mit dem Abstand. Tkatchenko spricht von einem Paradigmenwechsel bei der Beschreibung der Van-der-Waals-Wechselwirkung. Und der führt offenbar zu einer guten Wiedergabe der Realität. Die Berechnungen der Wissenschaftler decken sich jedenfalls gut mit experimentellen Befunden anderer Forscher aus der jüngeren Vergangenheit.

Tkatchenko betont, dass das hier zugrunde gelegte Konzept erstmals erfolgreich bei realen Molekülstrukturen angewandt worden sei, mit denen Chemiker oder Biologen täglich arbeiten. Unter anderem hatten die Forscher berechnet, welche Kräfte zwischen zwei ebenen Graphenschichten wirken. Zudem ermittelten die Forscher, wie stark sich Kohlenstoffnanoröhrchen anziehen. In einem Fall berechneten sie auch die Anziehung zwischen einer fiktiven Kette aus Kohlenstoffatomen und einem Eiweiß-Molekül.

Bedeutung für Werkstofftechniker und Wirkstoffentwickler

Van-der-Waals-Kräfte sind zwar rund zehnmal schwächer als etwa die Kraft, die zwischen unterschiedlich geladenen Ionen wirkt. Trotzdem sind sie nicht nur für Theoretiker wie Tkatchenko und sein Team interessant, sondern haben auch für anwendungsbezogene Forscher große Relevanz. Etwa für solche, die an innovativen Klebstoffen forschen. Oder auch für Werkstofftechniker. „Nehmen Sie ein Flugzeug“, sagt Tkatchenko. „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.“ Diese besser zu verstehen und mit ihnen rechnen zu können, sei damit auch für solche Anwendungsfelder interessant.

Auch für Wirkstoffentwickler etwa in der Pharmaindustrie könne eine bessere Beschreibung von Van-der-Waals-Kräften hilfreich sein. Schließlich sind es vor allem diese Kräfte, die darüber entscheiden, wie gut ein Wirkstoffmolekül an eine Zielstruktur im Organismus, häufig ein Protein, bindet. Nachdem sein Team den neuen Berechnungsansatz erfolgreich auf die Wechselwirkungen realer Moleküle angewendet hat, hofft der Physiker Alexandre Tkatchenko, dass künftig auch Biologen und Chemiker die Vorteile für ihre jeweiligen Arbeitsgebiete erkennen.

Originalpublikation: Alberto Ambrosetti, Nicola Ferri, Robert A. DiStasio Jr. and Alexandre Tkatchenko: Science, Wavelike Charge Density Fluctuations and van der Waals Interactions at the Nanoscale, 11. März 2016

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