Силы Ван-дер-Ваальса

Силы Ван-дер-Ваальса (Вандерваа́льсовы си́лы^[1]) — силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10—20 кДж/моль. В современной науке они обычно применяются к силам, возникающим при поляризации молекул и образовании диполей. Открыты Й. Д. Ван дер Ваальсом в 1869 году.

Вандерваальсовы силы межатомного взаимодействия инертных газов обуславливают возможность существования агрегатных состояний инертных газов (газ, жидкость и твёрдые тела).

К вандерваальсовым силам относятся взаимодействия между диполями (постоянными и наведёнными). Название связано с тем фактом, что эти силы являются причиной поправки на внутреннее давление в уравнении состояния реального газа Ван-дер-Ваальса. Эти взаимодействия, а также водородные связи, определяют формирование пространственной структуры биологических макромолекул.

Вандерваальсовы силы также возникают между частицей (макроскопической частицей или наночастицей) и молекулой и между двумя частицами^[2][3][4].

Классификация вандерваальсовых сил

Вандерваальсово взаимодействие состоит из трёх типов слабых электромагнитных взаимодействий:

• Ориентационные силы, диполь-дипольное притяжение. Осуществляется между молекулами, являющимися постоянными диполями. Примером может служить HCl в жидком и твёрдом состоянии. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна кубу расстояния между диполями.
• Дисперсионное притяжение (лондоновские силы, дисперсионные силы). Обусловлены взаимодействием между мгновенным и наведённым диполем. Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.
• Индукционное притяжение (поляризационное притяжение). Взаимодействие между постоянным диполем и наведённым (индуцированным). Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.

До сих пор многие авторы исходят из предположения, что вандерваальсовы силы определяют межслоевое взаимодействие в слоистых кристаллах, что противоречит экспериментальным данным: масштабу анизотропии температуры Дебая и, соответственно, масштабу анизотропии решёточного отражения. Исходя из данного ошибочного^[5] предположения построены многие двумерные модели, «описывающие» свойства, в частности графита и нитрида бора.

В последнем случае действуют так называемые силы Казимира и Казимира — Лифшица.

Проявления в природе

Геккон поднимается по стеклу.

• Сцепление частиц малых астероидов кольца́ Сатурна^[6];
• Способность гекконов взбираться по гладким поверхностям, например, по стеклу^[7].
• В системе редактирования генома TALEN^[англ.] второй аминокислотный остаток в Repeat Variable Diresidue (RVD) взаимодействует с нуклеотидом, но при этом природа этого взаимодействия различна: аспарагин и аспарагиновая кислота образуют водородные связи c азотистыми основаниями, а изолейцин и глицин связываются с целевым нуклеотидом за счёт сил Ван-дер-Ваальса^[8].

Методы сравнительной оценки

Для количественной оценки вклада сил Ван-дер-Ваальса в общий баланс межмолекулярных взаимодействий между молекулами в кристаллических твердых телах в настоящее время используется метод расчета и анализа поверхностей Хиршфельда (обычно с применением программы CrystalExplorer). Основные методики этого подхода описаны в^[9][10].

Применение

Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия, несмотря на невысокую интенсивность, могут служить основой для образования материалов, обладающих интересными свойствами. Например при включении магнитных компонентов, они могут создавать условия для образования Ван-дер-Ваальсова магнетизма и магнитных ван-дер-ваальсовых материалов: двумерных атомных кристаллов, содержащих магнитные элементы и, таким образом, обладающих внутренними магнитными свойствами^[11]. А последние, при сочетании магнитов Ван-дер-Ваальса с материалами, применяемыми в области физики интенсивно свето-генерирующих веществ — открывает путь к дизайну и управлению коррелированными квантовыми материалами с помощью кавитационной квантовой электродинамики^[12].

См. также

• Межмолекулярное взаимодействие
• Межатомное взаимодействие
• Адгезия
• Клей

Примечания

1. Такое написание даёт «Русский орфографический словарь: около 200 000 слов / Российская академия наук. Институт русскоrо языка им. В. В. Виноградова / Под ред. В. В. Лопатина, О. Е. Ивановой. — Изд. 4-е, испр. и доп. — М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, 2013. — 896 с. — (Фундаментальные словари русскою языка). — с. 68. — ISBN 978-5-462-01272-3».
2. Бараш Ю. С. Силы Ван-дер-Ваальса. — М.: Наука, 1988. — 344 с.
3. Israelachvili J. Intermolecular and Surface Forces. — London: Academic Press, 1985—2004. — 450 с., ISBN 0-12-375181-0.
4. Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. — М.: Наука, 1985. — 400 с.
5. Ordin S. V., [Sharupin B. N. and Fedorov M. I.], Semiconductors J. Normal lattice vibrations and the crystal structure of anisotropic modifications of boron nitride // FTP, 32(9), 924—932, 1998.
6. Притягательность малого: Слабые силы имеют значение  (рус.). Журнал «Популярная механика» (24 февраля 2010). — Небольшие, быстро вращающиеся астероиды неспособны сохранять целость за счёт гравитации: слишком они для этого малы, и центробежные силы легко разорвут их. Что же удерживает их целыми? Дата обращения: 25 февраля 2010. Архивировано 27 марта 2010 года.
7. Autumn K., Sitti M., Liang Y. A. et al. Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae Архивная копия от 28 декабря 2012 на Wayback Machine // PNAS. — v. 99. — no. 19, 2002, pp. 12252—12256.
8. Немудрый А. А., Валетдинова К. Р., Медведев С. П., Закиян С. М. Системы редактирования геномов TALEN и CRISPR/Cas – инструменты открытий // Acta Naturae. — 2014. — № 03 (22). — ISSN 2075-8243.
9. А.П. Новиков. Новые подходы к оценке реакционной способности сложных органических молекул на основе анализа поверхностей Хиршфельда (рус.) // глава в учебном пособии : коллективная монография. — 2022. — 15 сентября (№ ISBN 978-5-9933-0408-3). — С. 89—108. Архивировано 26 февраля 2023 года.
10. Афанасьев А.В., Белова Е.В., Герман К.Э., Новиков А.П. Номенклатура, электронное строение органических соединений и новые подходы к оценке их реакционной способности. — М.: Издательский дом «Граница», 2022. — С. 89—109. — 110 с. — ISBN 978-5-9933-0408-3. Архивировано 17 февраля 2023 года.
11. Kenneth S. Burch, David Mandrus, Je-Geun Park. Magnetism in two-dimensional van der Waals materials (англ.) // Nature. — 2018-11. — Vol. 563, iss. 7729. — P. 47–52. — ISSN 1476-4687. — doi:10.1038/s41586-018-0631-z. Архивировано 4 марта 2023 года.
12. Florian Dirnberger, Rezlind Bushati, Biswajit Datta, Ajesh Kumar, Allan H. MacDonald, Edoardo Baldini, Vinod M. Menon. Spin-correlated exciton–polaritons in a van der Waals magnet (англ.) // Nature Nanotechnology. — 2022-10. — Vol. 17, iss. 10. — P. 1060–1064. — ISSN 1748-3395. — doi:10.1038/s41565-022-01204-2. Архивировано 4 марта 2023 года.

Литература

• Бараш Ю. С. Силы Ван-дер-Ваальса. — М.: Наука, 1988. — 344 с.
• Каплан И. Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. — М.: Наука, 1982. — 312 с.
• Каплан И. Г. Межмолекулярные взаимодействия. Физическая интерпретация, компьютерные расчёты и модельные потенциал. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 400 с. — ISBN 978-5-94774-939-7.
• Межмолекулярные взаимодействия; от двухатомных молекул до биополимеров / Пер. с англ. под ред.: Пюльман Б. — М.: Мир, 1981. — 592 с.
• Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. — М.: Наука, 1985. — 400 с.
• Хобза П., Заградник Р. Межмолекулярные комплексы: Роль вандерваальсовых систем в физической химии и биодисциплинах. — М.: Мир, 1989. — 376 с.
• Israelachvili J. Intermolecular and Surface Forces. — London: Academic Press, 1985—2004. — 450 с. — ISBN 0-12-375181-0.
• Лифшиц Е. М., Дзялошинский И. Е., Питаевский Л. П. Общая теория ван-дер-ваальсовых сил (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1961. — Т. 73, № 3. — С. 381—422.