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.

Благодаря силам Ван-дер-Ваальса инертные газы могут существовать в жидком и твёрдом агрегатных состояниях.

К силам Ван-дер-Ваальса относятся и 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.

Силы Ван-дер-Ваальса также возникают между частицей (макроскопической частицей или наночастицей) и молекулой и между двумя частицами^[2][3][4].

Классификация сил Ван-дер-Ваальса

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 силы Ван-дер-Ваальса 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^[англ.]. 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