반데르발스군

분자 물리학에서, 네덜란드의 물리학자 요하네스 디데릭 반 데르 발스의 이름을 딴 반 데르 발스 힘은 원자 또는 분자 사이의 거리에 의존하는 상호작용이다.이온 결합이나 공유 결합과는 달리, 이러한 흡인력은 화학적 ^[2]전자 결합에서 비롯되지 않습니다. 상대적으로 약하기 때문에 교란되기 쉽습니다.반데르발스 힘은 상호작용하는 분자 사이의 더 먼 거리에서 빠르게 사라집니다.

Van der Waals 힘은 초분자 화학, 구조 생물학, 폴리머 과학, 나노 기술, 표면 과학, 그리고 응집 물질 물리학과 같은 다양한 분야에서 기본적인 역할을 합니다.또한 극성 및 비극성 매체에서의 용해성을 포함하여 유기 화합물 및 분자 고체의 많은 특성을 기반으로 합니다.

만약 다른 힘이 존재하지 않는다면, 원자들이 서로 가까워질 때 힘이 끌어당기기 보다는 반발하는 원자 사이의 거리를 판 데르 발스 접촉 거리라고 부릅니다; 이 현상은 원자들의 전자 ^[3]구름 사이의 상호 반발에서 비롯됩니다.

반데르발스^[4] 힘은 일반적으로 "즉시 유도 쌍극자"^[5] 사이의 런던 분산력, 영구 쌍극자와 유도 쌍극자 사이의 드바이 힘, 그리고 시간에 따라 회전 방향이 동적으로 평균화된 영구 분자 쌍극자 사이의 키섬 힘의 조합으로 설명된다.

정의.

반데르발스 힘에는 다른 분자간 힘뿐만 아니라 원자, 분자, 표면 사이의 흡인력과 반발력이 포함됩니다.이들은 인근 입자의 변동하는 편광(양자^[6] 역학의 결과)의 상관관계에 의해 발생한다는 점에서 공유 결합 및 이온 결합과는 다릅니다.

약한 화학력 중 가장 약하지만 강도가 0.4와 4kJ/mol(결합당 4~40meV) 이내인 경우에도 그러한 상호작용이 다수 존재할 때 여전히 통합 구조 하중을 지지할 수 있다.

이 힘은 전자 밀도의 일시적인 변화에서 비롯됩니다.구체적으로, 전자 밀도는 일시적으로 핵의 한쪽으로 더 크게 이동할 수 있다.이는 근처의 원자를 끌어당기거나 밀어낼 수 있는 과도 전하를 생성합니다.두 원자의 원자간 거리가 0.6nm보다 크면 힘은 관측될 만큼 강하지 않고, 거리가 0.4nm보다 작으면 힘이 반발한다.

분자간 힘에는 크게 네 가지 기여가 있습니다.

1. 분자의 붕괴를 방지하는 파울리 배타 원리에 기인하는 반발 성분.
2. 영구 전하(분자 이온의 경우), 쌍극자(반전 중심이 없는 분자의 경우), 4극자(입방체보다 대칭이 낮은 모든 분자), 그리고 일반적으로 영구 다중극 사이의 매력적이거나 반발적인 정전 상호작용.정전 상호작용은 윌럼 헨드릭 키섬의 이름을 따서 키섬 상호작용 또는 키섬 힘이라고 불리기도 한다.
3. 유도(분극이라고도 함)는 한 분자의 영구 다중극과 다른 분자의 유도 다중극 사이의 매력적인 상호작용입니다.이 상호작용을 피터 J.W. 데비의 이름을 따서 데비 힘이라고 부르기도 한다.
4. 분산(일반적으로 Fritz London의 이름을 딴 런던 분산 상호작용)은 순간 다중극의 상호작용에서 발생하는 비극성 원자를 포함한 분자 쌍 사이의 매력적인 상호작용이다.

명명법으로 돌아가면, "반데르발스 힘"이라는 용어를 사용하여 다른 것을 언급합니다.일부 텍스트는 반 데르 발스 힘을 힘의 전체(반 데르 발스-키솜, 반 데르 발스-데비, 반 데르 발스-런던을 구분하는)로 설명하고 있다.

모든 분자간/반데르발스 힘은 이방성(두 개의 귀가스 원자 사이의 힘 제외)이며, 이는 분자의 상대적인 방향에 의존한다는 것을 의미합니다.유도 및 분산 상호작용은 방향에 관계없이 항상 매력적이지만 분자의 회전 시 정전 상호작용이 변화합니다.즉, 분자의 상호 방향에 따라 정전력이 끌리거나 거부될 수 있습니다.기체와 액체 상태의 분자가 열운동을 할 때, 분자가 열로 회전하여 정전기력의 반발력과 매력적인 부분을 탐침하기 때문에 정전기력은 상당 부분 평균화된다.때때로 이 효과는 "실온 주위의 랜덤한 열운동이 보통 그것들을 극복하거나 방해할 수 있다"(반데르발스 힘의 정전 컴포넌트 참조)라는 문구로 표현된다.열 평균 효과는 유인 유도력과 분산력에 비해 훨씬 덜 뚜렷합니다.

레너드-존스 전위는 거리의 함수로서 총(반 데르 발스 힘)의 등방성 부분에 대한 근사 모델로 종종 사용된다.

반데르발스 힘은 스펙트럼 라인의 압력 확대(반데르발스 확대)와 반데르발스 분자의 형성에 책임이 있다.런던-반데르발스 힘은 유전 매체에 대한 카시미르 효과와 관련이 있으며, 전자는 후자의 부피 성질에 대한 미시적 기술이다.E.M. 리프시츠가 ^[7]1955년에 처음으로 상세한 계산을 했다.반데르발스 힘에 대한 보다 일반적인 이론도 ^[8][9]개발되었습니다.

판데르발스군의 주요 특징은 다음과 같습니다.^[10]

• 그들은 일반적인 공유 결합과 이온 결합보다 약하다.
• Van der Waals 힘은 가법적이기 때문에 포화될 수 없습니다.
• 방향성이 없습니다.
• 이들은 모두 단거리 힘이기 때문에 (모든 입자가 아니라) 가장 가까운 입자들 사이의 상호작용만 고려하면 됩니다.분자가 가까울수록 반데르발스의 인력은 더 커진다.
• Van der Waals 힘은 쌍극자-쌍극자 상호작용을 제외하고 온도와 무관하다.

저분자량 알코올에서는 극성 수산기의 수소 결합 특성이 다른 약한 반데르발스 상호작용을 지배합니다.고분자량 알코올에서는 비극성 탄화수소 사슬의 특성이 지배하고 용해도를 결정합니다.

런던 분산군

독일계 미국인 물리학자 프리츠 런던의 이름을 딴 런던 분산력은 영구적인 다극 모멘트가 없는 분자의 순간 다극 사이의 상호작용력에서 발생하는 약한 분자간 힘이다.유기 분자 내 및 유기 분자 사이에 다수의 접촉이 분산 흡인력의 더 큰 기여로 이어질 수 있으며, 특히 헤테로아톰이 존재할 때 그러하다.런던 분산력은 '분산력', '런던력', 또는 '순간 쌍극자 유도 쌍극자력'으로도 알려져 있다.런던 분산력의 세기는 분자의 분극성에 비례하며, 분자는 전자의 총수와 전자가 퍼져 있는 면적에 따라 달라집니다.탄화수소는 분산 기여도가 작으며, 헤테로아톰의 존재는 예를 들어 RI>RBR>RCL>RF 순서로 ^[11]분극성의 함수로서 LD력을 증가시킨다.약분극성 탄화수소는 분산력으로 인해 결정을 형성합니다. 용제의 승화열은 분산 상호작용의 척도입니다.

반데르발스(Van der Waals)는 거시적인 물체 사이에 힘을 가한다.

단위 부피당 알려진 부피와 원자 또는 분자의 수를 가진 거시 물체의 경우, 총 판데르발스 힘은 모든 상호작용 쌍에 대한 합으로서 "현미경 이론"에 기초하여 종종 계산된다.객체의 총 볼륨에 대해 통합해야 하므로 객체의 모양에 따라 계산이 달라집니다.예를 들어, 반지름₁ R과₂ R의 구형 물체 간 및 매끄러운 표면과의 반데르발스 상호작용 에너지는 Hamaker에 의해^[12] 1937년에 다음과 같이 근사되었다(원자/분자^[13] 간의 분산 상호작용 에너지에 대한 런던의 유명한 1937년 방정식 사용).

${\displaystyle {begin{aligned}&U(z;R_{1},R_{2})=-{\frac {A}{6}\left({\frac {2R_1}R_{2})-(R_{1}+R_{2})^{2}}+{{FR}{FR_1}$

(1)

속성(또는 마이너스 기호에 그 중간 매체에 따라서 긍정적일 수 있)는 교재에 달려 있는 상수(~10−19 − 10−20 J)여기서 A란 SHamaker 계수와에서 z는 형상과 관계 없이 중심 대 중심 거리;즉, L, R2의 합, r(표면 사이의 거리):z=R1+R2+r{\displaystyle. )z=R_{1} +$R$_ {$2}$+ r$$} $。$

분리의 상수 곡률 반경(기준선 R1과 R2매개 변수로 취급된다)의 두 영역 사이의 반 데르 발스 힘이 된 다음 기능부터 개체의 힘은 위치 에너지 함수의 도함수의 부정적인 FV진동계 측 W(z))− ddzU(z){\displaystyle)F_{\rm{VdW}}(z)=-{\frac{d}{dz}}U(z)}. 이 수익률s:

${\displaystyle \ F_{\rm {VdW}}(z)=-{\frac {A}{6}{\frac {64R_{1}^{3}R_{{2}-(R_{2}+R_{2})^{2}^{2}{2}_{{2}_{{}{}{{}{{}{{{{}}}}{{{{{}}}{{{{}}}}}{{{{{{{}}}}}}}}}{{{{{{{{{{}}}}}}$

(2)

근접접근의 한계에서는 구가 구간의 거리에 비해 충분히 큽니다. 즉, r${\displaystyle {}_{}}$ R$$(\$displaystyle \r\ll R_{$1}) ${\displaystyle {또는\mathrm{}}_{}}$R 2(\$displaystyle$$$R_${2$이므로 전위 에너지 함수의 방정식 (1)은 다음과 같이 단순해집니다.

$\ displaystyle \ U(r;R_{1},R_{2})=-{\frac {AR_{1}R_{2}}{(R_{1}+R_{2}6r}}}}$

(3)

다음과 같은 힘으로:

${\displaystyle\F_{\rm {VdW}}=-{\frac {AR_{1}R_{2}}{(R_{1}+R_{2})6r^{2}}}}$

(4)

Hamaker 모델을 사용하여 다른 기하학적 구조를 가진 물체 사이의 반데르발스 힘은 ^[14][15][16]문헌에 발표되었습니다.

위의 식에서 판데르발스 힘은 물체 크기(R)의 감소에 따라 감소함을 알 수 있다.그럼에도 불구하고 중력과 드래그/리프트와 같은 관성력의 강도는 훨씬 더 감소한다.따라서 흡인력은 같은 물질의 큰 입자에 비해 크기가 작아도 매우 미세한 드라이파우더(모세관력이 존재하지 않는 경우)와 같은 매우 작은 입자의 수집에 대해서는 판데르발스력이 우세해진다.이러한 가루는 응집력이 있다고 알려져 있는데, 이는 더 거친 입자의 분말만큼 쉽게 유동화되거나 공기로 전달되지 않는다는 것을 의미합니다.일반적으로 약 250μm 이상의 입자가 있을 때 자유류가 발생한다.

반데르발스 접착력도 지표면 지형에 따라 달라집니다.표면 아스퍼리티 또는 돌기가 있어 두 입자 사이 또는 입자와 벽 사이에 더 큰 총 접촉 면적이 발생할 경우, 이는 기계적 연동의 경향뿐만 아니라 반데르발스 인력의 힘을 증가시킨다.

현미경 이론은 쌍으로 부가성을 가정한다.그것은 많은 신체간의 상호작용과 지체를 무시한다.이러한 효과를 설명하는 보다 엄격한 접근방식인 "거시적 이론"은 1956년 ^[17]리프시츠에 의해 개발되었다.랑베인은 1970년에 리프시츠^[18] 이론의 틀 안에서 구형의 물체에 대해 훨씬 더 번거로운 "정확한" 표현을 도출한 반면,^[19] 1934년에 데르자귄에 의해 더 간단한 거시적 모델 근사치가 이루어졌다.리프시츠 이론을 이용한 많은 다른 기하학에서의 반데르발스 힘에 대한 표현도 마찬가지로 발표되었습니다.

도마뱀붙이 및 절지동물 사용

한쪽 발가락만 사용하여 유리 표면에 매달릴 수 있는 도마뱀붙이의 능력은 수년 동안 주로 이 표면과 발바닥에서 발견되는 털 같은 세태를 덮는 ^[20][21]주걱 사이의 판 데르 발스 힘 또는 현미경 돌기에 기인해왔다.이후 연구는 모세관 유착이 한 역할을 ^[22]할 수 있다고 제안했지만, ^[23][24][25]그 가설은 최근의 연구들에 의해 기각되었다.

그러나 최근 연구에 따르면 매끄러운 테플론과 폴리디메틸실록산 표면에 대한 도마뱀붙이기는 주로 판데르발스나 모세관 ^[26]힘이 아닌 (접촉 전기에 의해 야기된) 정전 상호작용에 의해 결정된다.

2008년에는 이 ^[27]효과를 이용한 건식 접착제를 만들기 위한 노력이 있었고, 2011년에는 비슷한 ^[28]기반에서 접착 테이프를 만드는 데 성공했습니다.2011년에는 벨크로 같은 털의 영향과 도마뱀붙이 ^[29]발자국의 지질 존재에 관한 논문이 발표되었습니다.

절지동물 중 일부 거미들은 주걱턱이나 주걱턱에 비슷한 세태를 가지고 있어 유리나 ^[30][31]도자기처럼 매우 매끄러운 표면에 거꾸로 올라가거나 매달 수 있다.

현대 테크놀로지

2014년 5월, DARPA는 100kg의 연구자(20kg의 기록장비를 안장)에게 2개의 클라이밍 패들을 사용하여 8m(26피트) 높이의 유리 벽을 오르도록 함으로써 "Geckskin" 기술의 최신 재현을 시연했습니다.DARPA는 이 기술을 언젠가 군사용으로 사용할 수 있게 해 군인들에게 스파이더맨과 같은 도시 ^[32]전투 능력을 제공하기를 희망하고 있다.

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레퍼런스

추가 정보

• Brevik, Iver; Marachevsky, V. N.; Milton, Kimball A. (1999). "Identity of the Van der Waals Force and the Casimir Effect and the Irrelevance of these Phenomena to Sonoluminescence". arXiv:hep-th/9901011.
• Dzyaloshinskii, I. D.; Lifshitz, E. M.; Pitaevskii, Lev P. (1961). "Общая теория ван-дер-ваальсовых сил" [General theory of van der Waals forces] (PDF). Uspekhi Fizicheskikh Nauk (in Russian). 73 (381).
  • 영어 번역:
• Landau, L. D.; Lifshitz, E. M. (1960). Electrodynamics of Continuous Media. Oxford: Pergamon. pp. 368–376.
• Langbein, Dieter (1974). Theory of Van der Waals Attraction. Springer Tracts in Modern Physics. Vol. 72. New York, Heidelberg: Springer-Verlag.
• Lefers, Mark. "Van der Waals dispersion force". Life Science Glossary. Holmgren Lab. Archived from the original on 24 July 2019. Retrieved 2 October 2017.
• Lifshitz, E. M. (1955). "Russian title is missing" [The Theory of Molecular Attractive Forces between Solids]. Zhurnal Éksperimental'noĭ i Teoreticheskoĭ Fiziki (in Russian). 29 (1): 94.
  • 영어 번역:
• "London force animation". Intermolecular Forces. Western Oregon University.
• Lyklema, J. Fundamentals of Interface and Colloid Science. p. 4.43.
• Israelachvili, Jacob N. (1992). Intermolecular and Surface Forces. Academic Press. ISBN 9780123751812.

외부 링크

• Senese, Fred (1999). "What are van der Waals forces?". Frostburg State University. Retrieved 1 March 2010. 반데르발스 힘에 대한 개요 설명(매력적인 구성 요소만 합산)
• "Robert Full: Learning from the gecko's tail". TED. 1 February 2009. Retrieved 5 October 2016. 생체모방에 관한 TED 강연, 반데르발스 힘 적용 등
• Wolff, J. O.; Gorb, S. N. (18 May 2011). "The influence of humidity on the attachment ability of the spider Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae)". Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 279 (1726): 139–143. doi:10.1098/rspb.2011.0505. PMC 3223641. PMID 21593034.