Forscher der Universität Luxemburg veröffentlicht Artikel in Science

Alexandre Tkatchenko, Professor für Physik der kondensierten Materie an der Fakultät für Naturwissenschaften, Technologie und Kommunikation (FSTC), veröffentlicht einen Forschungsbeitrag in Science, einer der bedeutendsten interdisziplinären Fachzeitschriften weltweit.

Die wahre Natur der Van-der-Waals-Kräfte

Der Beitrag mit dem Titel „Wavelike charge density fluctuations and van der Waals interactions at the nanoscale“ beschäftigt sich mit den sogenannten „Van-der-Waals-Kräften“, den allgegenwärtigen Anziehungskräften zwischen Molekülen. Die Eigenschaften vieler Materialien hängen wesentlich von der Stärke dieser Kräfte ab. Zahlreiche Medikamente wirken beispielsweise nur, weil die Moleküle des Medikaments sich aufgrund der selektiven Van-der-Waals-Anziehung an unsere Zellen binden.

Unter der Führung von Prof. Alexandre Tkatchenko demonstrierte ein Forscherteam, dass die tatsächliche Wirkungsweise dieser Kräfte von den bisherigen Annahmen in der Chemie und Biologie abweichen. Die Forscher zeigten, dass man diese Kräfte als Wechselwirkung zwischen Wellen und nicht als gegenseitige Anziehung zwischen Partikeln betrachten muss. „Im einfachsten Fall kann man sich zwei Atomketten vorstellen, und innerhalb dieser Ketten ziehen sich einige Punkte gegenseitig an. Nach der konventionellen Sichtweise würde man die Van-der-Waals-Energie berechnen, indem man die Wechselwirkungen aller Atompaare addiert“, erklärt Alexandre Tkatchenko. „Wir haben jedoch gezeigt, dass dies bei realistischen Entfernungen zwischen Materie im Nanobereich nicht zutrifft und man sich die Kräfte nicht als Beziehung zwischen Partikeln, sondern als Wellen betrachten muss. Das hat drastische Auswirkungen auf unsere Denkweise in Bezug auf diese allgegenwärtigen Kräfte.“

Bildzeile: Van der Waals Kräfte als Wellen zu betrachten, bedeutet einen Paradigmenwechsel für Chemie und Materialwissenschaft. © Universität Luxemburg

Der Beitrag ist das Ergebnis einer internationalen und interdisziplinären Zusammenarbeit von vier Forschungsinstituten (Fritz-Haber-Institut, Universität Padua, Cornell University und Universität Luxemburg). „Diese Arbeit bietet sowohl einen qualitativ korrekten konzeptuellen Rahmen, um Van-der-Waals-Kräfte auf der Nanoebene zu beschreiben, als auch eine quantitativ zutreffende Berechnungsgrundlage zur Vorhersage des Einflusses dieser omnipräsenten Wechselwirkungen auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materie“, ergänzt Robert A. DiStasio Jr., Assistant Professor für Chemie und Biochemie an der Cornell University (USA) und einer der Mitautoren.

Auswirkungen auf die Materialwissenschaft

Diese Forschungsergebnisse haben vermutlich bedeutende Auswirkungen auf die Materialwissenschaft. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Forscher es geschafft, die Eigenschaften von existierenden Stoffen durch das Einbinden von Nanostoffen zu verändern. So erhöhten sie beispielsweise die Belastungsfähigkeit von Materialien oder veränderten die Leitfähigkeit von Polymer-Verbundwerkstoffen. „Um alle Eigenschaften von solchen Nanokompositen zu verstehen, muss man begreifen, wie sich diese Strukturen auf der Nanoebene selbst anordnen. Die Anordnung dieser Stoffe wird hauptsächlich von den Van-der-Waals-Kräften beeinflusst“, so Prof. Tkatchenko.

Van-der-Waals-Kräfte sind von grundlegender Bedeutung für viele Anwendungen in der Industrie, wie etwa die Herstellung von Nano-Materialien. Daher könnte die Forschung große Auswirkungen auf die Weiterentwicklung von Verarbeitungstechniken auf diesem Gebiet haben. „Die vorliegende Arbeit bietet wichtige Erkenntnisse zu den auf Nanoebene wirkenden Kräften und kann dazu beitragen, Nanomaterialien besser zu verstehen und zu verfeinern, vor allem von Nanokompositen, die in innovativen Materialanwendungen allgegenwärtig sind. Spezialgebiete wie additive Nanoherstellung, Nanotoxikologie oder Nanopartikeltechnik könnten von dieser bahnbrechenden Arbeit profitieren“, so Prof. Jens Kreisel, Direktor der Abteilung Materials Research and Technology am „Luxembourg Institute for Science and Technology“ (LIST).

Außergewöhnliche Anerkennung

Diese Veröffentlichung stellt eine außergewöhnliche Anerkennung für den Physiker dar: „Das ist der Höhepunkt von zehn Jahren Arbeit. Die Annahmequote von Beiträgen für die Fachzeitschrift Science liegt bei nur sieben Prozent, ich bin sehr stolz auf diese Erfahrung“, so Tkatchenko.

Es ist das erste Mal, dass ein Forscher der Universität Luxemburg einen Beitrag als Hauptautor in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Dies unterstreicht die wachsende Wahrnehmung der Universität  auf internationaler Ebene.