АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыМатериалы БРЭСпецпроектыСтать автором
Настроить видСменить язык
О РУВИКИ
Ответ на вопрос

Силы Ван-дер-Ваальса

Pause
ИИ-обзор статьи
Силы Ван-дер-Ваальса — это силы межмолекулярного и межатомного взаимодействия, возникающие вследствие поляризации молекул и образования диполей, открытые Йоханнесом Дидериком Ван дер Ваальсом в 1869 году.
Три типа вандерваальсовых сил
Выделяют ориентационные (между постоянными диполями), дисперсионные (между мгновенным и наведённым диполями) и индукционные (между постоянным и наведённым диполями) силы. Энергия ориентационного взаимодействия обратно пропорциональна кубу расстояния, энергия дисперсионного и индукционного — шестой степени расстояния.
Примеры в природе и технологиях
Силы Ван-дер-Ваальса обеспечивают сцепление частиц малых астероидов в кольцах Сатурна и позволяют гекконам удерживаться на гладких поверхностях, таких как стекло.
Роль в редактировании генома TALEN
В системе TALEN аминокислоты изолейцин и глицин связываются с целевым нуклеотидом за счёт вандерваальсовых сил, тогда как аспарагин и аспарагиновая кислота образуют водородные связи.
Метод анализа поверхностей Хиршфельда
Для количественной оценки вклада сил Ван-дер-Ваальса в общий баланс межмолекулярных взаимодействий в кристаллических твёрдых телах применяют метод расчёта и анализа поверхностей Хиршфельда, обычно с помощью программы CrystalExplorer.
Ван-дер-ваальсовы магнетики
Включение магнитных компонентов в ван-дер-ваальсовы структуры позволяет создавать двумерные атомные кристаллы с внутренними магнитными свойствами.
Перспективы квантовой электродинамики
Сочетание ван-дер-ваальсовых магнетиков со светоизлучающими материалами открывает путь к дизайну коррелированных квантовых материалов через кавитационную квантовую электродинамику.

Силы Ван-дер-Ваальса (Вандерваа́льсовы си́лы[1]) — силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10—20 кДж/моль. В современной науке они обычно применяется 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

undefined

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

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. 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 // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 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 // глава в учебном пособии : коллективная монография. — 2022. — 15 сентября (№ ISBN 978-5-9933-0408-3). — С. 89 - 108.
  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" (издательство)|]], 2022. — С. 89-109. — 110 с. — ISBN 978-5-9933-0408-3.
  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.
  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.

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 // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1961. — Т. 73, № 3. — С. 381—422.

Дополнительно по теме

Категории

Pause