Сила Ван-дер-Ваальса - Van der Waals force

Поток дождевой воды из навеса. Среди сил, управляющих образованием капель: сила Ван-дер-Ваальса, поверхностное натяжение, сплоченность, Неустойчивость Плато – Рэлея..

В молекулярная физика, то сила Ван-дер-Ваальса, названный в честь голландского ученого Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс, представляет собой зависящее от расстояния взаимодействие между атомами или молекулами. В отличие от ионный или же ковалентные связи эти притяжения не являются результатом химической электронной связи; они относительно слабы и поэтому более восприимчивы к нарушениям. Сила Ван-дер-Ваальса быстро исчезает на больших расстояниях между взаимодействующими молекулами.

Сила Ван-дер-Ваальса играет фундаментальную роль в столь разнообразных областях, как супрамолекулярная химия, структурная биология, полимерная наука, нанотехнологии, наука о поверхности, и физика конденсированного состояния. Это также лежит в основе многих свойств органические соединения и молекулярные твердые вещества, включая их растворимость в полярный и неполярный средства массовой информации.

Если никакой другой силы нет, расстояние между атомами, при котором сила становится отталкивающей, а не притягивающей, когда атомы приближаются друг к другу, называется расстоянием между атомами. контактное расстояние Ван-дер-Ваальса; это явление возникает из-за взаимного отталкивания атомов. электронные облака.[1] Сила Ван-дер-Ваальса имеет то же происхождение, что и Эффект Казимира, который возникает из квант взаимодействие с поле нулевой точки.[2]

Период, термин сила Ван-дер-Ваальса иногда используется свободно для всех межмолекулярные силы.[3] Термин всегда включает Лондонская дисперсионная сила между мгновенно вызванными диполи.[4] Иногда применяется к Дебая сила между постоянным диполем и соответствующим индуцированным диполем[нужна цитата ] или в Кисом сила между постоянными молекулярные диполи.[нужна цитата ]

Определение

Силы Ван-дер-Ваальса включают притяжение и отталкивание между атомами, молекулами и поверхностями, а также другие межмолекулярные силы. Они отличаются от ковалентный и ионный связи в том смысле, что они вызваны корреляциями в флуктуирующих поляризациях соседних частиц (следствие квантовая динамика[5]).

Несмотря на то, что они являются самыми слабыми из слабых химических взаимодействий, с силой от 0,4 до 4 кДж / моль (от 4 до 40 мэВ на связь), они все же могут выдерживать интегральную структурную нагрузку, когда присутствует множество таких взаимодействий.

Сила возникает из-за кратковременного сдвига электронной плотности. В частности, электронная плотность может временно более сильно сместиться в одну сторону от ядра. Это генерирует кратковременный заряд, которым соседний атом может быть либо притянут, либо отталкивается. Когда межатомное расстояние между двумя атомами больше 0,6 нм, сила недостаточна, чтобы ее можно было наблюдать. Точно так же, когда межатомное расстояние меньше 0,4 нм, сила становится отталкивающей. Переход от притяжения Ван-дер-Ваальса через отталкивание Паули к химической связи, обсуждавшийся Леннард-Джонсом в 1933 году, был обнаружен с помощью атомно-силовой микроскопии в 2019 году Хубером, Бервангером, Полесей, Маньковским, Эбертом и Гиссибль[6]

Межмолекулярные силы четыре основных вклада:

  1. Отталкивающий компонент, являющийся результатом Принцип исключения Паули что предотвращает коллапс молекул.
  2. Привлекательный или отталкивающий электростатический взаимодействия между постоянными зарядами (в случае молекулярных ионов), диполями (в случае молекул без центра инверсии), квадруполи (все молекулы с симметрией ниже кубической) и, как правило, между постоянными многополюсники. Электростатическое взаимодействие иногда называют Keesom взаимодействие или сила Кисома после Виллем Хендрик Кисом.
  3. Индукция (также известная как поляризация ), которое представляет собой притягивающее взаимодействие между постоянным мультиполем на одной молекуле и индуцированным мультиполем на другой. Это взаимодействие иногда называют силой Дебая после Питер Дж. У. Дебай.
  4. Дисперсия (обычно называемая лондонскими дисперсионными взаимодействиями после Фриц Лондон ), которое представляет собой притягивающее взаимодействие между любой парой молекул, включая неполярные атомы, возникающее в результате взаимодействий мгновенных мультиполей.

Возвращаясь к номенклатуре, разные тексты относятся к разным вещам, используя термин «сила Ван-дер-Ваальса». В некоторых текстах сила Ван-дер-Ваальса описывается как совокупность сил (включая отталкивание); другие означают все силы притяжения (а затем иногда выделяют Ван-дер-Ваальс-Кизом, Ван-дер-Ваальс-Дебай и Ван-дер-Ваальс-Лондон).

Все межмолекулярные силы / силы Ван-дер-Ваальса равны анизотропный (кроме атомов между двумя атомами благородных газов), что означает, что они зависят от относительной ориентации молекул. Индукционное и дисперсионное взаимодействия всегда привлекательны, независимо от ориентации, но электростатическое взаимодействие меняет знак при вращении молекул. То есть электростатическая сила может быть притягивающей или отталкивающей, в зависимости от взаимной ориентации молекул. Когда молекулы находятся в тепловом движении, как в газовой, так и в жидкой фазах, электростатическая сила в значительной степени усредняется, потому что молекулы термически вращаются и, таким образом, исследуют как отталкивающую, так и притягивающую части электростатической силы. Иногда этот эффект выражается утверждением, что «случайное тепловое движение вокруг комнатной температуры обычно может преодолеть или нарушить их» (что относится к электростатической составляющей силы Ван-дер-Ваальса). Ясно, что эффект термического усреднения гораздо менее выражен для сил индукции и дисперсии притяжения.

В Потенциал Леннарда-Джонса часто используется в качестве приближенной модели для изотропной части полной (отталкивание плюс притяжение) силы Ван-дер-Ваальса как функции расстояния.

Силы Ван-дер-Ваальса ответственны за некоторые случаи расширения давления (уширение Ван-дер-Ваальса ) спектральных линий и формирование молекулы Ван-дер-Ваальса. Силы Лондона-Ван-дер-Ваальса связаны с Эффект Казимира для диэлектрических сред, первое из которых является микроскопическим описанием второго объемного свойства. Первые подробные расчеты этого были сделаны в 1955 г. Э. М. Лифшиц.[7] Также была разработана более общая теория сил Ван-дер-Ваальса.[8][9]

Основными характеристиками сил Ван-дер-Ваальса являются:[10]

  • Они слабее обычных ковалентных и ионных связей.
  • Силы Ван-дер-Ваальса аддитивны и не могут быть насыщены.
  • У них нет характеристики направленности.
  • Все они являются короткодействующими силами и, следовательно, необходимо учитывать только взаимодействия между ближайшими частицами (а не всеми частицами). Притяжение Ван-дер-Ваальса тем больше, чем ближе молекулы.
  • Силы Ван-дер-Ваальса не зависят от температуры, за исключением диполь-дипольных взаимодействий.

В низкомолекулярных спиртах водородные связи их полярных гидроксильная группа доминируют над другими более слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями. В спиртах с более высокой молекулярной массой свойства неполярной углеводородной цепи (цепей) доминируют и определяют их растворимость.

Лондонская дисперсионная сила

Основная статья: Лондонская дисперсионная сила

Лондонские рассеивающие силы, названные в честь немецко-американского физика Фриц Лондон, слабые межмолекулярные силы которые возникают из-за взаимодействующих сил между мгновенными мультиполями в молекулы без постоянного мультипольные моменты. Внутри органических молекул и между ними множество контактов может привести к большему вкладу дисперсионного притяжения, особенно в присутствии гетероатомов. Лондонские дисперсионные силы также известны как 'разброс силы »,« силы Лондона »или« мгновенные дипольные дипольные силы ». Сила лондонских дисперсионных сил пропорциональна поляризуемости молекулы, которая, в свою очередь, зависит от общего числа электронов и площади, по которой они распределены. Углеводороды демонстрируют небольшой вклад в дисперсию, присутствие гетероатомов приводит к увеличению сил LD в зависимости от их поляризуемости, например в последовательности RI> RBr> RCl> RF.[11] В отсутствие растворителей за счет дисперсионных сил образуются кристаллы слабополяризуемых углеводородов; их сублимационное тепло - мера дисперсионного взаимодействия.

Силы Ван-дер-Ваальса между макроскопическими объектами

За макроскопический Для тел с известными объемами и числом атомов или молекул в единице объема общая сила Ван-дер-Ваальса часто вычисляется на основе «микроскопической теории» как сумма по всем взаимодействующим парам. Необходимо интегрировать по общему объему объекта, что делает расчет зависимым от формы объектов. Например, энергия ван-дер-ваальсова взаимодействия между сферическими телами радиуса R1 и R2 и с гладкими поверхностями была аппроксимирована в 1937 г. Hamaker[12] (используя знаменитое уравнение Лондона 1937 года для дисперсионной энергии взаимодействия между атомами / молекулами[13] в качестве отправной точки):

 

 

 

 

(1)

где A - Коэффициент Хамакера, которая является постоянной (~ 10−19 − 10−20 J), который зависит от свойств материала (он может иметь положительный или отрицательный знак в зависимости от промежуточной среды), и z - межцентровое расстояние; т.е. сумма р1, р2, и р (расстояние между поверхностями): .

В пределе близкого сближения сферы достаточно велики по сравнению с расстоянием между ними; т.е. или же , так что уравнение (1) для функции потенциальной энергии упрощается до:

 

 

 

 

(2)

Ван дер Ваальс сила между двумя сферами постоянного радиуса (р1 и р2 рассматриваются как параметры) тогда является функцией разделения, поскольку сила, действующая на объект, является отрицательной производной функции потенциальной энергии,. Это дает:

 

 

 

 

(3)

Силы Ван-дер-Ваальса между объектами с другой геометрией, использующие модель Хамакера, были опубликованы в литературе.[14][15][16]

Из приведенного выше выражения видно, что сила Ван-дер-Ваальса уменьшается с уменьшением размера тел (R). Тем не менее, сила инерционных сил, таких как сила тяжести и сопротивление / подъемная сила, уменьшаются в большей степени. Следовательно, силы Ван-дер-Ваальса становятся доминирующими для скоплений очень мелких частиц, таких как очень мелкозернистые сухие порошки (в которых отсутствуют капиллярные силы), даже если сила притяжения меньше по величине, чем для более крупных частиц такое же вещество. Такие порошки называются когезионными, что означает, что они не так легко псевдоожижены или транспортируются пневматически, как их более крупнозернистые аналоги. Как правило, свободный поток происходит с частицами размером более примерно 250 мкм.

Сила адгезии Ван-дер-Ваальса также зависит от топографии поверхности. Если на поверхности есть неровности или выступы, которые приводят к большей общей площади контакта между двумя частицами или между частицей и стенкой, это увеличивает силу притяжения Ван-дер-Ваальса, а также тенденцию к механическому сцеплению.

Микроскопическая теория предполагает попарную аддитивность. Он игнорирует многочастные взаимодействия и задержка. Более строгий подход, учитывающий эти эффекты, названный "макроскопическая теория "был разработан Лифшиц в 1956 г.[17] Langbein получил гораздо более громоздкое «точное» выражение для сферических тел в 1970 г. в рамках теории Лифшица[18] в то время как приближение более простой макроскопической модели было сделано Дерягин еще в 1934 г.[19] Аналогичным образом были опубликованы выражения для сил Ван-дер-Ваальса для многих различных геометрий, использующие теорию Лифшица.

Использование гекконами и членистоногими

Геккон лазание по стеклянной поверхности
Дальнейшая информация: Адгезия членистоногих

Способность гекконы - который может висеть на стеклянной поверхности, используя только одну ногу - лазание по отвесным поверхностям в течение многих лет в основном приписывалось силам Ван-дер-Ваальса между этими поверхностями и шпатели, или микроскопические выступы, которые покрывают волосовидные щетинки на их ступнях.[20][21] Более позднее исследование показало, что капиллярная адгезия может играть роль,[22] но эта гипотеза была отвергнута более поздними исследованиями.[23][24][25]

Однако недавнее исследование показало, что адгезия гекконов к гладким поверхностям из тефлона и PDMS в основном определяется электростатическим взаимодействием (вызванным контактной электризацией), а не ван-дер-Ваальсовыми или капиллярными силами.[26]

В 2008 году предпринимались попытки создать сухой клей который использует эффект,[27] и в 2011 году был достигнут успех в создании клейкой ленты на аналогичных основаниях.[28] В 2011 году была опубликована статья, посвященная влиянию как на волосы, похожие на липучки, так и на присутствие липидов в следах гекконов.[29]

Среди членистоногие, у некоторых пауков похожие щетинки на скопулы или подушечки scopula, позволяющие им взбираться или висеть вверх ногами на чрезвычайно гладких поверхностях, таких как стекло или фарфор.[30][31]

В современной технике

В мае 2014 г. DARPA продемонстрировала последнюю версию своей технологии "Geckskin", поставив 100-килограммового исследователя (с 20 кг записывающего оборудования) на стеклянную стену высотой 8 метров (26 футов), используя всего два подъемных весла. Испытания продолжаются, но DARPA надеется однажды сделать эту технологию доступной для использования в военных целях, дав солдатам Человек-паук -подобные способности в городских боях.[32]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гаррет, Реджинальд Х .; Гришэм, Чарльз М. (2016). Биохимия (6-е изд.). Университет Вирджинии. С. 12–13.
  2. ^ Климчицкая, Г.Л .; Мостепаненко, В. М. (июль 2015 г.). «Силы Казимира и Ван дер Ваальса: успехи и проблемы». Известия Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. (517): 41–65. arXiv:1507.02393. Дои:10.5862 / PROC.516.4. S2CID  119270219.
  3. ^ Чумпер, Грегори С. (20 октября 2008 г.). «Надежные расчеты электронной структуры для слабых нековалентных взаимодействий в кластерах». In Lipkowitz, Kenny B .; Кундари, Томас Р. (ред.). Обзоры в области вычислительной химии. 26. Джон Вили и сыновья. С. 39–90. Дои:10.1002 / 9780470399545.ch2. ISBN  9780470399545.
  4. ^ Махан, Джеральд Д. (2009). В двух словах о квантовой механике. Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN  0-691-13713-7. OCLC  226037727.
  5. ^ А.А. Абрикосов; Горьков Л.П .; I.E. Дзялошинский (1963–1975). Методы квантовой теории поля в статистической физике. Dover Publications. ISBN  978-0-486-63228-5.Глава 6 Электромагнитное излучение в поглощающей среде
  6. ^ Ф. Хубер, Дж. Бервангер, С. Полеся, С. Маньковский, Х. Эберт, Ф. Дж. Гиссибл, Science 366 (6462), стр. 235-238 (2019), DOI: 10.1126 / science.aay3444
  7. ^ Для дальнейшего изучения можно обратиться к работе о левитации Университета Сент-Эндрюс в популярной статье: Научный журнал: Обнаружен новый способ левитации объектов, и в более научной версии: Леонхардт, Ульф; Филбин, Томас Г. (2007). «Квантовая левитация левыми метаматериалами». Новый журнал физики. 9 (8): 254. arXiv:Quant-ph / 0608115. Bibcode:2007NJPh .... 9..254L. Дои:10.1088/1367-2630/9/8/254. S2CID  463815., которые связывают эффект Казимира с гекконом и то, как обращение эффекта Казимира может привести к физической левитации крошечных объектов.
  8. ^ Дзялошинский И Э; Лифшиц, Э М; Питаевский, Лев П (1961). «Общая теория сил Ван-дер-Ваальса». Успехи советской физики.. 4 (2): 153. Bibcode:1961СвФУ ... 4..153Д. Дои:10.1070 / PU1961v004n02ABEH003330.
  9. ^ Zheng, Y .; Нараянасвами, А. (2011). "Теория Лифшица ван-дер-Ваальсова давления в диссипативных средах". Phys. Ред. А. 83 (4): 042504. arXiv:1011.5433. Bibcode:2011PhRvA..83d2504Z. Дои:10.1103 / PhysRevA.83.042504. S2CID  64619547.
  10. ^ Химическая связь Г-жа Шети и М. Сатаке
  11. ^ Шнайдер, Ханс-Йорг (2015). «Дисперсионные взаимодействия в комплексах растворов». Отчеты о химических исследованиях. 48 (7): 1815–1822. Дои:10.1021 / acs.accounts.5b00111. PMID  26083908.
  12. ^ Х. К. Хамакер, Physica, 4 (10), 1058–1072 (1937).
  13. ^ Ф. Лондон, Труды Общества Фарадея, 33, 8–26 (1937)
  14. ^ Р. Тадмор (март 2001 г.). «Энергия взаимодействия Лондона-Ван-дер-Ваальса между объектами различной геометрии». Журнал физики: конденсированное вещество. 13 (9): L195 – L202. Bibcode:2001JPCM ... 13L.195T. Дои:10.1088/0953-8984/13/9/101.
  15. ^ Исраэлачвили Дж. (1985–2004). Межмолекулярные и поверхностные силы. Академическая пресса. ISBN  978-0-12-375181-2.
  16. ^ Парсегян В.А. (2006). Силы Ван-дер-Ваальса: Справочник для биологов, химиков, инженеров и физиков. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-83906-8.
  17. ^ Лифшиц Э. М., Советская физ. ЖЭТФ, 2, 73 (1956)
  18. ^ Д. Лангбейн, Phys. Ред. B, 2, 3371 (1970)
  19. ^ Б. В. Дерягин, Коллоид-З., 69, 155–64 (1934)
  20. ^ Рассел, Энтони П .; Хайэм, Тимоти. Э. (2009). «Новый взгляд на цепляние у гекконов: наклон, а не основание, запускает развертывание клеевой системы». Труды Королевского общества B: биологические науки. 276 (1673): 3705–3709. Дои:10.1098 / rspb.2009.0946. ISSN  0962-8452. ЧВК  2817305. PMID  19656797.
  21. ^ Осень, Келлар; Ситти, Метин; Liang, Yiching A .; Пити, Энн М .; Хансен, Венди Р .; Спонберг, Саймон; Кенни, Томас У .; Опасаясь, Рональд; Исраэлашвили, Яков Н .; Полный, Роберт Дж. (2002). "Свидетельства ван-дер-Ваальсова адгезии в щетинках геккона". Труды Национальной академии наук. 99 (19): 12252–6. Bibcode:2002PNAS ... 9912252A. Дои:10.1073 / pnas.192252799. ЧВК  129431. PMID  12198184.
  22. ^ Хубер, Геррит; Манц, Хуберт; Споленак, Ральф; Меке, Клаус; Джейкобс, Карин; Горб, Станислав Н .; Арцт, Эдуард (2005). «Доказательства вклада капиллярности в адгезию гекконов по результатам наномеханических измерений с помощью одного шпателя». Труды Национальной академии наук. 102 (45): 16293–6. Bibcode:2005PNAS..10216293H. Дои:10.1073 / pnas.0506328102. ЧВК  1283435. PMID  16260737.
  23. ^ Чен, Бин; Гао, Хуацзянь (2010). «Альтернативное объяснение влияния влажности на адгезию гекконов: снижение жесткости усиливает адгезию на шероховатой поверхности». Int JAppl Mech. 2: 1–9. Bibcode:2010IJAM ... 02 .... 1С. Дои:10.1142 / с1758825110000433.
  24. ^ Путхофф, Джонатан Б.; Prowse, Майкл С .; Уилкинсон, Мэтт; Осень, Келлар (2010). «Изменения свойств материалов объясняют влияние влажности на адгезию гекконов». J Exp Biol. 213 (21): 3699–3704. Дои:10.1242 / jeb.047654. PMID  20952618.
  25. ^ Prowse, Майкл С .; Уилкинсон, Мэтт; Путхофф, Майкл; Майер, Джордж; Осень, Келлар (февраль 2011 г.). «Влияние влажности на механические свойства щетинок геккона». Acta Biomaterialia. 7 (2): 733–738. Дои:10.1016 / j.actbio.2010.09.036. PMID  20920615.
  26. ^ Izadi, H .; Стюарт, К. М. Э .; Пенлидис, А. (9 июля 2014 г.). «Роль контактной электризации и электростатических взаимодействий в адгезии гекконов». Журнал интерфейса Королевского общества. 11 (98): 20140371. Дои:10.1098 / rsif.2014.0371. ЧВК  4233685. PMID  25008078. Мы продемонстрировали, что именно электростатические взаимодействия, вызванные КЭ, определяют силу адгезии гекконов, а не ван-дер-Ваальсовы или капиллярные силы, которые традиционно считаются основным источником адгезии гекконов.
  27. ^ Стинхейзен, Джули (8 октября 2008 г.). "Гекконовый клей пока что считается самым липким". Рейтер. Получено 5 октября 2016.
  28. ^ Быстро, Даррен (6 ноября 2011 г.). «Биологически вдохновленную клейкую ленту можно использовать тысячи раз». Новый Атлас. Получено 5 октября 2016.
  29. ^ Сюй, Пин Юань; Ge, Liehui; Ли, Сяопэн; Старк, Алисса Ю.; Wesdemiotis, Chrys; Niewiarowski, Peter H .; Дхиноджвала, Али (24 августа 2011 г.). «Прямые доказательства фосфолипидов в следах геккона и на границе контакта шпатель-подложка, обнаруженные с помощью поверхностно-чувствительной спектроскопии». Журнал интерфейса Королевского общества. 9 (69): 657–664. Дои:10.1098 / rsif.2011.0370. ISSN  1742-5689. ЧВК  3284128. PMID  21865250.
  30. ^ Кесель, Антония Б .; Мартин, Эндрю; Зайдл, Тобиас (19 апреля 2004 г.). "Получение контроля над прикреплением пауков: подход AFM к адгезии микроструктуры у членистоногих". Умные материалы и конструкции. 13 (3): 512–518. Bibcode:2004SMaS ... 13..512K. Дои:10.1088/0964-1726/13/3/009. ISSN  0964-1726.
  31. ^ Вольф, Джонас O .; Горб, Станислав Н. (7 января 2012 г.). «Влияние влажности на прикрепляемую способность паука. Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae) ". Труды Королевского общества B. 279 (1726): 139–143. Дои:10.1098 / rspb.2011.0505. ЧВК  3223641. PMID  21593034.
  32. ^ Эндрю Тарантола (июнь 2014 г.). "Перчатки DARPA в стиле гекконов позволяют любому взбираться по плоским стенам". Gizmodo. Получено 5 октября 2016.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка