Преглед на кода на Сили на Ван дер Ваалс

[[Файл:Gecko feet.jpg|мини|[[Геконови|Гекон]], прикрепил се върху [[стъкло]].]]
[[Файл:RainDrops1.jpg|мини|Силите на Ван дер Ваалс са едни от силите, обуславящи образуването на [[Дъжд|дъждовните капки]].]]

В [[Молекулна физика|молекулната физика]], '''силите на Ван дер Ваалс''' представляват [[Сила|сили]] на взаимодействия между [[атом]]ите и [[Молекула|молекулите]], зависещи от разстоянието. Кръстени са на холандския учен [[Йоханес ван дер Ваалс]]. Терминът ''сили на Ван дер Ваалс'' понякога се използва взаимозаменяемо с ''междумолекулни сили'' (сили на [[Петер Дебай|Дебай]]). Той може да включва следните сили на взаимодействие: между моментно индуцирани [[дипол]]и (дисперсионни сили), между постоянен дипол и съответния му индуциран дипол, и между постоянни диполи.

Различават се от ковалентните и йонните връзки по това, че се причиняват от [[Корелация|корелации]] във [[Флуктуация|флуктуациите]] на поляризацията на съседни частици (следствие от квантовата динамика).<ref name="Abrikosov">{{Cite book|author1=A.A. Abrikosov |author2=L.P. Gorkov |author3=I.E. Dzyaloshinsky |title=Methods of Quantum Field Theory in Statistical Physics |url=https://archive.org/details/methodsofquantum0000abri |year= 1963 – 1975 |publisher=Dover Publications |chapter=6 |isbn=0-486-63228-8}}</ref> За разлика от [[химична връзка|химичните връзки]], осъществявани чрез [[Електростатично взаимодействие|елекростатични сили]] ([[Йонна химична връзка|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. 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 [[Електронен облак|електронните облаци]] на двата атома, които започват да се отблъскват.<ref>{{Cite book |title=Biochemistry |last=Garrett |first=Reginald H. |last2=Grisham |first2=Charles M. |year=2016|isbn= |edition=sixth |location=University of Virginia |pages=12 – 13}}</ref> Възможно е да се докаже, че силите на Ван дер Ваалс са със същия произход като [[Ефект на Казимир|ефекта на Казимир]], пораждани от [[Квантова механика|квантови]] взаимодействия в поле с [[нулева енергия]].<ref>G. L. Klimchitskaya, V. M. Mostepanenko. 2015. [https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1507/1507.02393.pdf Casimir and van der Waals forces: Advances and problems].</ref>

Тези сили играят фундаментална роля в разнообразни научни области като [[Надмолекулярна химия|надмолекулярната химия]], [[структурна биология|структурната биология]], [[полимер]]ната наука, [[нанотехнологии]]те, [[Физикохимия на повърхностите|физикохимията на повърхностите]] и [[Физика на кондензираната материя|физиката на кондензираната материя]]. Силите на Ван дер Ваалс определят и свойствата на [[Органично съединение|органичните съединения]] и [[молекулярни кристали|молекулярните кристали]], включително тяхната [[разтворимост]] в полярна и неполярна химична среда.

== Определение и особености ==
Силите на Ван дер Ваалс включват привличане и отблъскване между атоми, молекули, повърхности, както и други междумолекулни сили. 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.

Междумолекулните сили имат 4 основни съставляващи:

# Компонента на отблъскване, дължаща се на [[Принцип на Паули|принципа на Паули]], предотвратяваща разпадането на молекулите.
# Електростатични взаимодействия на привличане или отблъскване между постоянните заряди, диполи, квадриполи и като цяло между постоянни многополи.
# Индукция (или поляризация), която е взаимодействие на привличане между постоянен многопол на една молекула с индуциран дипол на друга.
# Дисперсия, която е взаимодействие на привличане между всяка двойка молекули, включително и неполяризирани атоми.

Главните характеристики на силите на Ван дер Ваалс са:<ref>''Chemical Bonding'' Ms Shethi and M. Satake</ref>

*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.

С изключение на тези между атомите на 2 [[Благороден газ|благородни газа]], всички междумолекулни сили и сили на Ван дер Ваалс са [[Анизотропия|анизотропни]], т.е. 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 2 молекули са в термално движение (например в състояние на [[газ]] или [[течност]]), електростатичната сила в голяма степен се усреднява, тъй като молекулите се въртят термално и следователно претърпяват както привличащи, така и отблъскващи части на електростатичната сила. Ефектът на термалното усредняване се проявява много по-малко при силите на привличане от индукция и дисперсия.

[[Потенциал на Ленард-Джоунс|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 [[време]]то. Силите на Вад дер Ваалс са отговори за някои случаи на разширяване на [[Спектрална линия|спектралните линии]] и [[молекули на Ван дер Ваалс]].

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 [[Електронна плътност|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 разстоянието между 2 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.

== Сили на Ван дер Ваалс между макроскопични обекти ==
За макроскопични [[Тяло (физика)|тела]] с познат [[обем]] и брой атоми или молекули на [[Системи единици|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 [[Интегриране|интегрира]] по целия обем на обекта, което прави изчислението зависимо от формата на обекта. Например [[енергия]]та на взаимодействие на Ван дер Ваалс между сферични тела с радиуси R<sub>1</sub> и R<sub>2</sub> и с гладки повърхности е приблизително изчислена през 1937 г. от [[Хюго Кристиан Хамакер]]<ref>H. C. Hamaker, Physica, 4(10), 1058 – 1072 (1937)</ref> чрез:

{{NumBlk|:|<math>\begin{align}
 &U(z;R_{1},R_{2}) = -\frac{A}{6}\left(\frac{2R_{1}R_{2}}{z^2 - (R_{1} + R_{2})^2} + \frac{2R_{1}R_{2}}{z^2 - (R_{1} - R_{2})^2} + \ln\left[\frac{z^2-(R_{1}+ R_{2})^2}{z^2-(R_{1}- R_{2})^2}\right]\right)
\end{align}</math>|{{EquationRef|1}}}}

където A е [[константа]]та на Хамакер, която зависи от свойствата на веществото (~10<sup>−19</sup> − 10<sup>−20</sup> J) и може да е положителна или отрицателна в зависимост от средата, а ''z'' е разстоянието между центровете, т.е. сборът на ''R''<sub>1</sub>, ''R''<sub>2</sub> и ''r'': <math>\ z = R_{1} + R_{2} + r</math>.

В границите на близкия подход, сферите са достатъчно големи в сравнение с разстоянието между тях, т.е. <math>\ r \ll R_{1}</math> или <math>R_{2}</math>, така че уравнението за функцията на потенциалната енергия може да се опрости до:

{{NumBlk|:|<math>\ U(r;R_{1},R_{2})= -\frac{AR_{1}R_{2}}{(R_{1}+R_{2})6r}</math>|{{EquationRef|2}}}}

Силата на Ван дер Ваалс между две сфери с константни радиуси (''R''<sub>1</sub> и ''R''<sub>2</sub> се считат за параметри) тогава е функция на отделяне, тъй като силата върху обект е обратна по знак на [[производна]]та на функцията на потенциалната енергия, <math>\ F_{VW}(r) = -\frac{d}{dr}U(r)</math>. Оттук следва:

{{NumBlk|:|<math>\ F_{VW}(r)= -\frac{AR_{1}R_{2}}{(R_{1}+R_{2})6r^2}</math>|{{EquationRef|3}}}}

Силата на Ван дер Ваалс между обекти с друга геометрия, използвайки модела на Хамакер, са публикувани в [[Научна литература|научната литература]].<ref>{{cite journal |author=R. Tadmor|title=The London-van der Waals interaction energy between objects of various geometries |journal=Journal of Physics: Condensed Matter|volume=13|issue=9 |date=March 2001|pages=L195–L202|doi=10.1088/0953 – 8984/13/9/101|bibcode=2001JPCM...13L.195T}}</ref><ref>{{cite book|author=Israelachvili J.|title=Intermolecular and Surface Forces|publisher=Academic Press |date=1985 – 2004|isbn=0-12-375181-0}}</ref><ref>{{cite book|author=V. A. Parsegian|title=van der Waals Forces: A Handbook for Biologists, Chemists, Engineers, and Physicists |publisher=Cambridge University Press |date=2006|isbn=978-0-521-83906-8}}</ref>

От изразите по-горе може да се види, че силата на Ван дер Ваалс намалява с по-малкия размер на телата. Въпреки това инерционните сили (например [[гравитация]]), я 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 [[Капилярност|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]] (Евгени Лифшиц) през 1956 г.<ref>E. M. Lifshitz, Soviet Phys. JETP, 2, 73 (1956)</ref> Изразяване на силите на Ван дер Ваалс за различни геометрии, използвайки теорията на Лифшиц, също са публикувани.

== В животинския свят ==
[[Файл:Gecko Leaftail 1.jpg|мини|upright=1.2|Гекон, който се изкачва по стъклена повърхност.]]

Способността на [[Геконови|геконите]], които могат да се задържат върху стъклена повърхност само с един [[Крайник|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.<ref name="RussellHigham2009">{{Cite journal |last=Russell |first=Anthony P. |last2=Higham |first2=Timothy. E. |date=2009 |title=A new angle on clinging in geckos: incline, not substrate, triggers the deployment of the adhesive system |journal=Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences |volume=276 |issue=1673 |pages=3705 – 3709 |doi=10.1098/rspb.2009.0946 |issn=0962 – 8452 |pmc=2817305 |pmid=19656797}}</ref><ref>{{Cite journal |last=Autumn |first=Kellar |last2=Sitti |first2=Metin |last3=Liang |first3=Yiching A. |last4=Peattie |first4=Anne M. |last5=Hansen |first5=Wendy R. |last6=Sponberg |first6=Simon |last7=Kenny |first7=Thomas W. |last8=Fearing |first8=Ronald |last9=Israelachvili |first9=Jacob N. |year=2002 |title=Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae |journal=Proceedings of the National Academy of Sciences |volume=99 |issue=19 |pages=12252 – 6 |bibcode=2002PNAS...9912252A |doi=10.1073/pnas.192252799 |pmc=129431 |pmid=12198184 |first10=Robert J. |last10=Full}}</ref> По-късни проучвания сочат, че капилярното прилепване играе роля,<ref>{{Cite journal |last=Huber |first=Gerrit |last2=Mantz |first2=Hubert |last3=Spolenak |first3=Ralph |last4=Mecke |first4=Klaus |last5=Jacobs |first5=Karin |last6=Gorb |first6=Stanislav N. |last7=Arzt |first7=Eduard |date=2005 |title=Evidence for capillarity contributions to gecko adhesion from single spatula nanomechanical measurements |journal=Proceedings of the National Academy of Sciences |volume=102 |issue=45 |pages=16293 – 6 |bibcode=2005PNAS..10216293H |doi=10.1073/pnas.0506328102 |pmc=1283435 |pmid=16260737}}</ref> макар тези хипотези да са отхвърлени от най-скорошните изследвания.<ref>{{Cite journal |last=Chen |first=Bin |last2=Gao |first2=Huajian |date=2010 |title=An alternative explanation of the effect of humidity in gecko adhesion: stiffness reduction enhances adhesion on a rough surface |journal=Int JAppl Mech |volume=2 |pages=1 – 9 |bibcode=2010IJAM...02....1C |doi=10.1142/s1758825110000433}}</ref><ref>{{Cite journal |last=Puthoff |first=Jonathan B. |last2=Prowse |first2=Michael S. |last3=Wilkinson |first3=Matt |last4=Autumn |first4=Kellar |year=2010 |title=Changes in materials properties explain the effects of humidity on gecko adhesion |journal=J Exp Biol |volume=213 |issue=21 |pages=3699 – 3704 |doi=10.1242/jeb.047654 |pmid=20952618}}</ref><ref>{{Cite journal |last=Prowse |first=Michael S. |last2=Wilkinson |first2=Matt |last3=Puthoff |first3=Michael |last4=Mayer |first4=George |last5=Autumn |first5=Kellar |date=февруари 2011 |title=Effects of humidity on the mechanical properties of gecko setae |journal=Acta Biomaterialia |volume=7 |issue=2 |pages=733 – 738 |doi=10.1016/j.actbio.2010.09.036 |pmid=20920615}}</ref> 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.<ref>{{cite journal |last1=Izadi|first1=H.|last2=Stewart|first2=K. M. E.|last3=Penlidis|first3=A.|title=Role of contact electrification and electrostatic interactions in gecko adhesion |journal=Journal of The Royal Society Interface |date=9 юли 2014 |volume=11 |issue=98 |pages=20140371 |doi=10.1098/rsif.2014.0371|pmc=4233685}}</ref>

Сред [[членестоноги]]те някои паяци имат подобна [[четина]], което им позволява да висят с главата надолу от изключително гладки повърхности, като например [[стъкло]] и [[порцелан]].<ref name="KeselMartin2004">{{Cite journal |last=Kesel |first=Antonia B. |last2=Martin |first2=Andrew |last3=Seidl |first3=Tobias |date=19 април 2004 |title=Getting a grip on spider attachment: an AFM approach to microstructure adhesion in arthropods |journal=Smart Materials and Structures |volume=13 |issue=3 |pages=512 – 518 |doi=10.1088/0964 – 1726/13/3/009 |issn=0964 – 1726|bibcode=2004SMaS...13..512K }}</ref><ref>{{Cite journal |last=Wolff |first=Jonas O. |last2=Gorb |first2=Stanislav N. |date=7 януари 2012 |title=The influence of humidity on the attachment ability of the spider ''Philodromus dispar'' (Araneae, Philodromidae) |url=http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/279/1726/139 |journal=Proceedings of the Royal Society B |volume=279 |issue=1726 |pages=139 – 143 |doi=10.1098/rspb.2011.0505 |via=rspb.royalsocietypublishing.org|pmc=3223641 }}</ref>

== В съвременната технология ==
През 2008 г. започват да се правят опити за създаване на [[Лепило|сухо лепило]], което се възползва от този ефект,<ref>{{Cite news |url=https://www.reuters.com/article/us-nano-glue-idUSN0942431020081009 |title=Gecko-like glue is said to be stickiest yet |last=Steenhuysen |first=Julie |date=8 октомври 2008 |accessdate=5 октомври 2016 |agency=Reuters}}</ref> а през 2011 г. е постигнат успех при създаването на лепяща лента, работещо на подобен принцип.<ref>{{Cite web |url=http://newatlas.com/bioinspired-adhesive-tape-kiel/20406/ |title=Biologically inspired adhesive tape can be reused thousands of times |last=Quick |first=Darren |date=6 ноември 2011 |work=New Atlas |accessdate=5 октомври 2016}}</ref>

През май 2014 г. [[DARPA]] демонстрира „Geckskin“ – [[Адхезия|адхезивен]] [[еластомер]], който позволява на 100-килограмов изследовател (с 20 kg записващи устройства) да изкатери с такива [[Ръкавица|ръкавици]] 8-метрова стъклена стена. Тестовете продължават, а DARPA се надява технологията да стане приложима във [[Военно дело|военното дело]], придавайки на войниците способности, подобни на тези на [[Спайдърмен]] в градска среда.<ref>{{cite web|url=http://www.gizmodo.com.au/2014/06/darpas-gecko-inspired-gloves-let-anyone-climb-up-flat-walls/|title=DARPA's Gecko-Inspired Gloves Let Anyone Climb Up Flat Walls|date=юни 2014|author=Andrew Tarantola|work=Gizmodo|accessdate=5 октомври 2016}}</ref>

== Източници ==
<references/>

[[Категория:Молекулна физика]]