Сили на Ван дер Ваалс

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето
Силите на Ван дер Ваалс позволяват на геконите да ходят безпроблемно по стени и тавани, макар тази способност да се дължи основно на електростатичното взаимодействие, според последните изследвания.
Силите на Ван дер Ваалс са едни от силите, управляващи образуването на дъждовните капки.

В молекулната физика, силите на Ван дер Ваалс представляват сили на взаимодействия между атомите и молекулите, зависещи от разстоянието. Кръстени са на холандския учен Йоханес ван дер Ваалс. За разлика от химичните връзки, осъществявани чрез елекростатични сили (йонна връзка) или чрез обща електронна двойка (ковалентна връзка), тези сили са сравнително слаби и по-податливи на смущения. Силите на Ван дер Ваалс изчезват бързо при по-голямо разстояние между взаимодействащите молекули.

Тези сили играят фундаментална роля в разнообразни научни области като надмолекулярната химия, структурната биология, полимерната наука, нанотехнологиите, физикохимията на повърхностите и физиката на кондензираната материя. Силите на Ван дер Ваалс определят и свойствата на органичните съединения и молекулярните кристали, включително тяхната разтворимост в полярна и неполярна химична среда.

Ако не присъстват никакви други сили, разстоянието, при което силата между два атома от сила на привличане става сила на отблъскване, се нарича контактно разстояние на Ван дер Ваалс. Това се дължи на електронните облаци на двата атома, които влизат в неблагоприятен контакт.[1] Възможно е да се докаже, че силите на Ван дер Ваалс са със същия произход като ефекта на Казимир, пораждани от квантови взаимодействия в поле с нулева енергия.[2] Терминът сили на Ван дер Ваалс понякога се използва взаимозаменяемо с междумолекулни сили (сили на Дебай). Той може да включва следните сили на взаимодействие: между мигновено индуцирани диполи (дисперсионни сили), между постоянен дипол и съответния му индуциран дипол, и между постоянни диполи.

Определение[редактиране | редактиране на кода]

Силите на Ван дер Ваалс включват привличане и отблъскване между атоми, молекули, повърхности, както и други междумолекулни сили. Различават се от ковалентните и йонни връзки по това, че се причиняват от корелации във флуктуациите на поляризацията на съседни частици (следствие от квантовата динамика).[3]

Бидейки най-слабата от слабите химични сили, оценявани между 0,4 и 4 kJ/mol, те все пак могат да издържат цялостен структурен товар, когато присъстват множество такива взаимодействия . Такава сила се поражда от промени в електронната плътност. По-конкретно, електронната плътност може временно да се измести повече към едната страна на ядрото. Това създава преходен заряд, към който съседен атом може да се привлече или да се отблъсне. Когато междуатомното разстояние на два атома е повече от 0,6 nm, силата не е достатъчно голяма за да бъде наблюдавана. В същото време, когато междуатомното разстояние намалее под 0,4 nm, силата става отблъскваща.

Междумолекулните сили имат четири основни съставляващи:

  1. Отблъскваща компонента, предотвратяваща разпадането на молекулите.
  2. Електростатични взаимодействия на привличане или отблъскване между постоянните заряди, диполи, квадриполи и като цяло между постоянни многополи.
  3. Индукция (или поляризация), която е взаимодействие на привличане между постоянен многопол на една молекула с индуциран монопол на друга.
  4. Дисперсия, която е взаимодействие на привличане между всяка двойка молекули, включително и неполяризирани атоми.

Различните текстове използват термина сили на Ван дер Ваалс за различни неща: някои ги описват като съвкупността от междумолекулни сили (включително отблъскване), докато други имат предвид само силите на привличане.

Всички междумолекулни сили и сили на Ван дер Ваалс са анизотропни (с изключение на тези между атомите на два благородни газа), което означава, че те зависят от относителната ориентация на молекулите. Взаимодействията на индукция и дисперсия винаги са такива на привличане, независимо от ориентацията, но електростатичното взаимодействие променя знака при завъртане на молекулите. Тоест, електростатичната сила може да е такава на привличане или на отблъскване, в зависимост от взаимната ориентация на молекулите. Когато две молекули са в термално движение (например в състояние на газ или течност), електростатичната сила в голяма степен с осреднява, тъй като молекулите се въртят термално и следователно претърпяват както привличащи, така и отблъскващи части на електростатичната сила. Ефектът на термалното осредняване се проявява много по-малко при привличащите сили на индукция и дисперсия.

Потенциалът на Ленард-Джоунс често се използва като приблизителен модел за изотропната част на общата (привличане плюс отблъскване) сила на Ван дер Ваалс като функция от времето. Силите на Вад дер Ваалс са отговори за някои случаи на разширяване на спектралните линии и молекули на Ван дер Ваалс

Главните характеристики на силите на Ван дер Ваалс са:[4]

  • Те са по-слаби от нормалните ковалентни и йонни връзки.
  • Те са адитивни и не могат да се пренаситят.
  • Нямат характеристика за посока.
  • Те са сили с малък обсег и засягат взаимодействия само между най-близките частици.
  • Не зависят от температурата, освен при взаимодействия между два дипола.

Сили на Ван дер Ваалс между макроскопични обекти[редактиране | редактиране на кода]

За макроскопични тела с познат обем и брой атоми или молекули на единица площ, общата сила на Ван дер Ваалс често се изчислява, основавайки се на „микроскопичната теория“ като сумата на всички взаимодействащи двойки. Нужно е да се интегрира по целия обем на обекта, което прави изчислението зависимо от формата на обекта. Например енергията на взаимодействие на Ван дер Ваалс между сферични тела с радиуси R1 и R2 и с гладки повърхности е приблизително изчислена през 1937 г. от Хюго Кристиан Хамакер[5] чрез:

 

 

 

 

(1)

където A е константата на Хамакер, която зависи от свойствата на веществото (~10−19 − 10−20 J) и може да е положителна или отрицателна в зависимост от средата, а z е разстоянието между центровете, т.е. сборът на R1, R2 и r: .

В границите на близкия подход, сферите са достатъчно големи в сравнение с разстоянието между тях, т.е. или , така че уравнението за функцията на потенциалната енергия може да се опрости до:

 

 

 

 

(2)

Силата на Ван дер Ваалс между две сфери с константни радиуси (R1 и R2 се считат за параметри) тогава е функция на отделяне, тъй като силата върху обект е обратна по знак на производната на функцията на потенциалната енергия, . Оттук следва:

 

 

 

 

(3)

Силата на Ван дер Ваалс между обекти с друга геометрия, използвайки модела на Хамакер, са публикувани в литературата.[6][7][8]

От изразите по-горе може да се види, че силата на Ван дер Ваалс намалява с по-малкия размер на телата. Въпреки това силата на инерционните сили, като например гравитация, намаляват още повече. Впоследствие силите на Ван дер Ваалс стават доминиращи за системи от много малки частици, като например сухи прахове с много фини частици (където не присъстват капилярни сили), макар силата на привличане да е по-малка, отколкото при по-големи частици от същото вещество. Такива прахове се наричат кохерентни, което ще рече, че те не се толкова втечняват лесно. Обикновено свободен поток настъпва при частици с размер по-голям от 250 μm.

Силата на Ван дер Ваалс за слепване зависи и от топографията на повърхността. Ако присъстват неравности на повърхността, водещи до по-голяма обща площ на контакт между двете частици или между частица и стена, това увеличава силата на Ван дер Ваалс на привличане, както и склонността към механично съединяване.

Микроскопичната теория взема предвид адитивността по двойки. Тя пренебрегва взаимоотношенията на множество тела и забавянето. По-точен подход, който отчита тези ефекти, е разработен от Евгений Лифшиц през 1956 г.[9] Изразяване на силите на Ван дер Ваалс за различни геометрии, използвайки теорията на Лифшиц, също са публикувани.

Употреба от гекони и членестоноги[редактиране | редактиране на кода]

Гекон, който се изкачва по стъклена повърхност.

Способността на геконите, които могат да се задържат върху стъклена повърхност само с един крак, да се изкачват по гладки повърхности е приписвана в продължение на много години главно на силите на Ван дер Ваалс между тези повърхности и миниатюрната четина по краката им.[10][11] По-късни проучвания сочат, че капилярното прилепване играе роля,[12] макар тези хипотези да са отхвърлени от най-скорошните изследвания.[13][14][15]

Все пак най-новите изследвания сочат, че прилепването на геконите всъщност се определя от електростатичното взаимодействие (предизвиквано от електрификация при контакт), а не от капилярните сили или силите на Ван дер Ваалс.[16]

През 2008 г. започват да се правят опити за създаване на сухо лепило, което се възползва от този ефект,[17] а през 2011 г. е постигнат успех при създаването на лепяща лента, работещо на подобен принцип.[18]

Сред членестоногите някои паяци имат подобна четина, което им позволява да висят с главата надолу от изключително гладки повърхности, като например стъкло и порцелан.[19][20]

В съвременната технология[редактиране | редактиране на кода]

През май 2014 г. DARPA демонстрира „Geckskin“ чрез 100-килограмов изследовател (с 20 kg записващи устройства), който изкатерва 8-метрова стъклена стена, използвайки само две гребла за катерене. Тестовете продължават, а DARPA се надява един ден да направи технологията достъпна за военно използване, придавайки на войниците способности, подобни на тези на Спайдърмен в градска среда.[21]

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. Garrett, Reginald H., Grisham, Charles M.. Biochemistry. sixth. University of Virginia, 2016. с. 12 – 13.
  2. G. L. Klimchitskaya, V. M. Mostepanenko. 2015. Casimir and van der Waals forces: Advances and problems.
  3. 6. // Methods of Quantum Field Theory in Statistical Physics. Dover Publications, 1963 – 1975. ISBN 0-486-63228-8.
  4. Chemical Bonding Ms Shethi and M. Satake
  5. H. C. Hamaker, Physica, 4(10), 1058 – 1072 (1937)
  6. R. Tadmor. The London-van der Waals interaction energy between objects of various geometries. // Journal of Physics: Condensed Matter 13 (9). March 2001. DOI:– 8984/13/9/101 10.1088/0953 – 8984/13/9/101. с. L195–L202.
  7. Israelachvili J.. Intermolecular and Surface Forces. Academic Press, 1985 – 2004. ISBN 0-12-375181-0.
  8. V. A. Parsegian. van der Waals Forces: A Handbook for Biologists, Chemists, Engineers, and Physicists. Cambridge University Press, 2006. ISBN 978-0-521-83906-8.
  9. E. M. Lifshitz, Soviet Phys. JETP, 2, 73 (1956)
  10. Russell, Anthony P. и др. A new angle on clinging in geckos: incline, not substrate, triggers the deployment of the adhesive system. // Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 276 (1673). 2009. DOI:10.1098/rspb.2009.0946. с. 3705 – 3709.
  11. Autumn, Kellar и др. Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. // Proceedings of the National Academy of Sciences 99 (19). 2002. DOI:10.1073/pnas.192252799. с. 12252 – 6.
  12. Huber, Gerrit и др. Evidence for capillarity contributions to gecko adhesion from single spatula nanomechanical measurements. // Proceedings of the National Academy of Sciences 102 (45). 2005. DOI:10.1073/pnas.0506328102. с. 16293 – 6.
  13. Chen, Bin и др. An alternative explanation of the effect of humidity in gecko adhesion: stiffness reduction enhances adhesion on a rough surface. // Int JAppl Mech 2. 2010. DOI:10.1142/s1758825110000433. с. 1 – 9.
  14. Puthoff, Jonathan B. и др. Changes in materials properties explain the effects of humidity on gecko adhesion. // J Exp Biol 213 (21). 2010. DOI:10.1242/jeb.047654. с. 3699 – 3704.
  15. Prowse, Michael S. и др. Effects of humidity on the mechanical properties of gecko setae. // Acta Biomaterialia 7 (2). февруари 2011. DOI:10.1016/j.actbio.2010.09.036. с. 733 – 738.
  16. Izadi, H. и др. Role of contact electrification and electrostatic interactions in gecko adhesion. // Journal of The Royal Society Interface 11 (98). 9 юли 2014. DOI:10.1098/rsif.2014.0371. с. 20140371.
  17. Steenhuysen, Julie. Gecko-like glue is said to be stickiest yet. // 8 октомври 2008. Посетен на 5 октомври 2016.
  18. Quick, Darren. Biologically inspired adhesive tape can be reused thousands of times. // New Atlas. 6 ноември 2011. Посетен на 5 октомври 2016.
  19. Kesel, Antonia B. и др. Getting a grip on spider attachment: an AFM approach to microstructure adhesion in arthropods. // Smart Materials and Structures 13 (3). 19 април 2004. DOI:– 1726/13/3/009 10.1088/0964 – 1726/13/3/009. с. 512 – 518.
  20. Wolff, Jonas O. и др. The influence of humidity on the attachment ability of the spider Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae). // Proceedings of the Royal Society B 279 (1726). 7 януари 2012. DOI:10.1098/rspb.2011.0505. с. 139 – 143.
  21. Andrew Tarantola. DARPA's Gecko-Inspired Gloves Let Anyone Climb Up Flat Walls. // Gizmodo. юни 2014. Посетен на 5 октомври 2016.