¿Qué experimento se puede realizar para determinar la fuerza entre los átomos cuando se juntan gradualmente para producir el gráfico a continuación?

Answer 1

¿Por qué no tocarlos? [Menciono esto solo parcialmente en broma …]

El microscopio de fuerza atómica (AFM) utiliza esta fuerza atómica todos los días para obtener imágenes de la superficie de un material en la escala nanométrica.

Principio de AFM – Cómo funciona AFM | Microscopio de fuerza atómica park

En un AFM, una punta muy afilada (a menudo producida por métodos de fabricación de semiconductores) se arrastra o rebota a su frecuencia de resonancia en la muestra al final de un pequeño voladizo. Cuando pone esta punta en contacto cercano con una superficie, el voladizo o el rebote se ve alterado por las fuerzas que se sienten en la punta (atractivas o repulsivas). Si reflejamos un rayo láser en la parte posterior de este voladizo, podemos medir más fácilmente el desplazamiento del voladizo con el tiempo. Con este método, podemos medir la cantidad de desviación al voladizo, y si movemos este voladizo hacia adelante y hacia atrás sobre la superficie (como un tocadiscos) podemos leer estas desviaciones como la altura de la muestra que estamos tocando una pequeña escala. Los pequeños piezos y los bucles de retroalimentación permiten que el AFM escanee con mucho cuidado, lo que nos permite obtener imágenes de la superficie en una escala muy pequeña.

Si aún no ha explorado las imágenes producidas por AFM, vaya a su motor de búsqueda favorito y busque AFM Micrograph. ¡Hay algunas imágenes geniales por ahí! [Ejemplos: ADN, células sanguíneas, nanotubos de carbono, grafeno, … la lista es interminable.]

IBM y otros han demostrado además que el AFM tiene la capacidad de detectar nubes de electrones, lo que en última instancia proporciona una resolución subangstrom que supera el microscopio electrónico de transmisión [ciclación reversible de Bergman mediante manipulación atómica]. Creo que el futuro es oro para las técnicas de sondeo de escaneo, y este cuidadoso trabajo es un indicio de lo que implicará nuestro futuro en este campo.

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Los AFM también están bajando de precio cada año. Un kit de AFM ha tenido un precio tan bajo como $ 500, lo que significa que podemos comenzar a ver a los AFM ingresar a las escuelas secundarias para que los estudiantes exploren el uso de esta técnica (¡espero que sí!).

Ahora, para discutir más directamente su pregunta: se pueden modificar los consejos para incluir un material de su propio interés, o incluso a veces nanotubos de carbono individuales. [Un método simplemente sumerge la punta en un líquido que contiene su molécula de interés.] Luego, la fuerza atómica se puede medir con una gráfica de fuerza entre esta “punta funcionalizada” y la superficie de interés.

Es posible que esta respuesta no sea la esperada, pero esperamos que resalte cómo la fuerza atómica se ha convertido en una herramienta de importancia crítica para medir superficies de materiales.

Answer 2

Podemos determinar la fuerza a través de algo como la química computacional. A través de la química computacional, podemos calcular los vectores de fuerza y ​​la energía total con cualquier posición dada (al menos teóricamente). Incluso podemos ejecutar optimizaciones para encontrar mínimos locales en la superficie de energía potencial para encontrar distancias óptimas entre dos o más átomos dados.

Aunque ejecutar una simulación por computadora no suena como tu experimento clásico, los teóricos los tratan como experimentos. Tanto los experimentos clásicos como este tipo de experimento requieren tiempo y recursos con resultados predichos, pero en última instancia inciertos.

Ahora, si quieres algunos experimentos clásicos de laboratorio húmedo, también tengo algunas ideas. Usted podría hacer uso de la espectroscopia IR. Esto te mostrará cómo los átomos están vibrando. Cuando dos átomos se unen, no se quedan a una distancia exacta. Vibran, están constantemente acercándose y alejándose unos de otros. La distancia óptima para la energía más baja posible está en algún lugar entre la cresta y el canal, probablemente en algún lugar cerca del punto medio. La cresta y la vaguada son estados de mayor energía.

También puede emplear métodos de difracción de rayos X para determinar la distancia entre los átomos unidos con el fin de obtener una escala para sus espectros IR. La estructura encontrada a través de este método serán esencialmente las estructuras encontradas en un mínimo en la superficie de energía potencial. Si la molécula es lo suficientemente simple, digamos un poco de dímero, esto probablemente será el mínimo absoluto.

Answer 3

Encontré una respuesta aquí:

La respuesta de Carlos Ortiz a ¿Cómo se deriva el potencial de Lennard-Jones?

Al parecer, es una aproximación matemática.