Связь Ван-дер-Ваальса представляет собой межмолекулярное взаимодействие, возникающее между нейтральными атомами или молекулами, которые не участвуют в образовании химических связей в традиционном смысле. Она существенно слабее ковалентной, ионной или металлической связи, но играет критически важную роль в физике твёрдого тела, особенно в системах с молекулярной кристаллической решёткой, адсорбционных явлениях и межслоевых взаимодействиях в слоистых материалах.
Существуют три основных типа ван-дер-ваальсовых взаимодействий:
Это наиболее универсальный и фундаментальный вид ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Даже в неполярных атомах (например, атомах благородных газов) возможны кратковременные флуктуации электронной плотности, которые создают временный диполь. Этот временный диполь индуцирует диполь в соседнем атоме или молекуле, что приводит к взаимному притяжению.
Математически энергия взаимодействия двух неполярных атомов (или молекул) на расстоянии r описывается приближённо как:
$$ U(r) = -\frac{C_6}{r^6} $$
где C6 — постоянная, зависящая от поляризуемости и ионизационного потенциала взаимодействующих частиц.
Дисперсионные силы особенно важны в кристаллах благородных газов, таких как кристаллы неона, аргона, криптона и ксенона. Несмотря на отсутствие классических химических связей, эти газы при низких температурах образуют стабильные кристаллы благодаря лондонским силам.
В молекулах, обладающих постоянным дипольным моментом, например HCl или H₂O, возникают взаимодействия между диполями, выравнивающимися друг относительно друга. Энергия такого взаимодействия зависит от ориентации диполей и также спадает с расстоянием, но медленнее, чем дисперсионное:
$$ U(r) \propto -\frac{1}{r^3} $$
Если одна молекула обладает диполем, а вторая — нет, то вторая может поляризоваться под действием поля первой, и между ними возникает притяжение типа “диполь-индуцированный диполь”. Такие взаимодействия важны в адсорбции полярных молекул на поверхностях неполярных тел.
Типичная энергия связи Ван-дер-Ваальса составляет от 0,01 до 0,5 эВ на межатомный контакт, что в разы меньше энергий химических связей (1–5 эВ). Это приводит к ряду характерных свойств:
Связь Ван-дер-Ваальса играет ключевую роль в стабилизации структуры многих материалов:
Расчёт ван-дер-ваальсовых сил затруднён из-за их квантово-механической природы. Классическая теория взаимодействия диполей применима лишь в ограниченном объёме. Наиболее точные подходы включают:
$$ U(r) = 4\varepsilon \left[ \left( \frac{\sigma}{r} \right)^{12} - \left( \frac{\sigma}{r} \right)^6 \right] $$
где ε — глубина потенциальной ямы, σ — эффективный диаметр частиц.
Эта функция успешно применяется в моделировании межмолекулярных взаимодействий в твёрдых телах, жидкостях и биологических системах.
Хотя ван-дер-ваальсовы силы слабее химических связей, они существенно влияют на макроскопические свойства веществ, особенно при низких температурах. Более того, они могут конкурировать с водородными связями и, в некоторых случаях, определять стабильность кристаллических фаз, фазовые переходы и поверхностные явления, такие как смачиваемость и адсорбция.
Важной чертой является аддитивность: общее ван-дер-ваальсово притяжение между макроскопическими телами может быть довольно велико, несмотря на малую силу отдельных взаимодействий. Это лежит в основе проявлений типа прилипаемости, когезии, трибоэлектрических эффектов.
В наноструктурированных материалах ван-дер-ваальсовы силы играют фундаментальную роль. В частности:
Таким образом, связь Ван-дер-Ваальса — неотъемлемый компонент понимания структуры и свойств твёрдого тела. Несмотря на свою слабость, она оказывает определяющее влияние на множество явлений в физике, химии и нанотехнологиях.