مقدمة: القوة الفرعية التي تتقاسم المواد المزروعة

وعندما نفكر في مواد قوية، نتصور عادة السندات المتزامنة أو البطاقات الأيونية، ومع ذلك فإن بعض أهم البلورات من الناحية التكنولوجية، وارتباط المنديل، وضبط النيتروجين الغليان، يكتفي بفهم خصائصه المميزة من التفاعل الأضعف: قوات التموين في فان دير، وهذه الجذبات اللامعية، وإن كانت تضعف من الناحية الفردية، تعمل على سد الثغرات بين الطبقات الذرية.

إن قوات فان دير والس تختلف اختلافاً جوهرياً عن السندات المتفشية أو الأيوني التي تجمع الذرات داخل طبقة، وتنشأ عن التقلبات التي تحدث في الكثافة الكهربائية، وتخلق ديبول مؤقتة تحفز على تعارض الديبول في الذرات المجاورة، ويمكن أن يكون الأثر التراكمي عبر واجهة متداخلة بين الكراكروسكوب قوياً بشكل مفاجئ، ومع ذلك فإن هذه الوصلات الفريدة من نوعها تضعف من الروابط الهيكلية.

Understanding Van der Waals Forces

المنشأ والنوع

وقد سميت قوات فان دير والس بالعالم الهولندي يوهانس ديديريك فان دير والس الذي اقترح في عام 1873 وجودها أولا لشرح الانحرافات عن القانون المثالي للغاز، واليوم نعترف بثلاثة مساهمات متميزة:

  • Keesom forces] (dipole-dipole interactions) - occur between molecules with permanent dipole moments. The positive end of one dipole attracts the negative end of another.
  • Debye forces] (dipole-induced dipole) — arise when a permanent dipole polarizes a nearby molecule, creating an induced dipole.
  • London dispersion forces] (instantaneous dipole-induced dipole) — present in all atoms and molecules, even nonpolar ones. Fluctuations in electron distribution create a temporary dipole, which induces a dipole in a neighbours. London forces dominate in nonpolar layered Belgians such as polite.

وفي الهياكل الكريستالية المطبقــة، تقوم قوات تشتت لندن بدور مهيمن لأن الطبقات نفسها كثيرا ما تكون محايدة وغير قابلة للاستقطاب، وتتوقف قوة هذه القوات على استقطاب الذرات - الثقيلة التي تتسم بسحب كهربائية أكثر انتشارا، وتظهر عموما تفاعلات أقوى في مجال التشت، وعلى سبيل المثال، فإن طبقة فان دير والساحلات التي تجذب بين طبقات الأشعة فوق، أكثر قوة من عدة مرات في كل منطقة

قياس تفاعل فان دير وولز في الجولات

وتراوحت الطاقة المرتبطة بقوى فان دير والس في المواد المصن َّفة عادة بين ٠١ و٠٠١ ميكروغرام لكل ذرة، وهي أصغر بكثير من الطاقات الوراثية المتناقلة )الحرف الإلكتروني المفصل( غير أنه عندما يضاعف العدد الهائل من الذرات عبر واجهة طبقة، يصبح التفاعل الكلي كبيرا.

ومن المهم أيضا ملاحظة أن قوات فان دير والس قصيرة المدى، تفكك بوصفها القوة السادسة العكسية للمسافة، وهذا يعني أن الفصل بين الطبقات يقلل بشكل كبير من قوة التفاعل، وفي البلورات المطبقة، فإن المسافة بين المقاتلين )من الناحية التقليدية ٣ إلى ٤ آب( هي بالتحديد حيث تكون قوات فان دير والس أكثر فعالية.

هياكل كريستال مُلَيَّة: كون من عُمَلَة "ويك بوندز"

وبلورة مطبقة هي واحدة تترابط فيها الذرات بقوة في صحائف ثنائية الأبعاد، وتتم تكديس هذه الشرائح على بعضها البعض مع وضعف كبير في الترابط بينها، وتبدو السندات الداخلية متماسكة (الغرافيت، الموسوعة 2) أو متوارث (المعادن الصغيرة)، بينما يُظهر الارتداد الهيكلي المتقطع في معظمه في فان دير وات.

Graphite: The Quintessential Layered Material

وتتكون العبوة من أكوام من طبقات الغرافيني، وكل من مركب العسل الهكساني من ذرات الكربون المهجينة، وسندات الكربون في طبقة ما من أقوى السندات المعروفة، مما يعطي كل صفحة قوة غير عادية، غير أن طبقات الفايندر والزلاجات هي التي تحمل الحد الأدنى من الكيس.

Beyond lubrication, the weakness of interlayer forces enablesميكانيكيal exfoliation. By simply heling a piece of graphite with adhesive tape, one can obtain single-layer graphene-a feat that earned Geim and Novoselov the Nobel Prize in Physics in 2010. The easy of exfoliation directly reflects the Van der Waals energy landscape:

الديكاليكوغينات المميتة الانتقالية

كما أن الدهكوكسينات المعدنية الانتقالية، مثل كبريتيد المولىبينوم (MoS2) وديثيل التنغستن (WSe2)، تشكل هياكل ذات طبقات، وفي MoS2، تتألف كل طبقة من طائرة من ذرات المافيا التي تدوّن بين طائرتين من ذرات الكبريت، وتتكون من روابط متزامنة قوية داخل الطبقات وفرق فان der Waals.

كما أن قوات التداخل بين الرؤوس والثديين أقوى قليلاً من قوة الطلاء في الأشعة بسبب ذرات أثقل (المواد، W، S، S)، وارتفاع قدرتها على الاستقطاب، وهذا يعني أن إبطال مفعول الادايين إلى المحاورين يتطلب في كثير من الأحيان أساليب أكثر عدائية، مثل الخنق بالعجلات السائلة في المذيبات المناسبة أو التكليل الأيوني، على الرغم من ذلك.

Hexagonal Boron Nitride (h‐BN)

وجهاز التجميل هو مادة متطورة هيكلياً وهابطة للغرافيت، مع تناوب ذرات الفول والنيتروجين في سلة العسل، ومع ذلك فإن الربط بين الطوابق هو جزء من الأيون (B-N)، وطبقة التلويث بين الأشعة فان der Waals أكثر ضعفاً من ذي قبل في الجاغرافيا، وذلك بسبب انخفاض درجة الحرارة

وقد فتحت القدرة على التطهير الميكانيكي من حنجرة النزهة إلى مواليد الاحتكارات تطبيقات كمحطة فرعية للديكليات من أجل أجهزة التصوير بالأشعة، كما أن ضجيج فان دير والس على مواد أخرى مطبقة هو مجال متنامٍ للبحث، مما يسمح ببناء هياكل هباء ذات وصلات بينية حادة الذري.

مواد أخرى بارزة

  • Black phosphorus] — a layered allotrope of phosphosphorus with a puckered structure. powerful in-plane covalent bonds and weak interlayer Van der Waals forces give it a tunable bandgap that varies with layer number. Exfoliation yields phosphoisphorene, a 2D
  • Mica] — a family of silicate minerals with perfect basal cleavage, enabling the preparation of ultrathin sheets. The interlayer forces in mica are partly Van der Waals and partly electrostatic (potassium ions between layers), but the overall weak adhesion is essential for exfoliation into palakea.
  • Clays and layered double hydroxides] — these naturally occurring or synthetic materials have layers held together by Van der Waals forces and interlayer ions. They are widely used as incentives, adsorbents, and drug delivery vehicles, with interlayer spacing that can be tuned by intercalation.

الآثار المترتبة على السلوك المادي

Mechanical Properties: Flexibility, Cleavage, and Lubrication

فالبلورات المسببة للمرض هي منتشرة جداً في داخل طبقة المياه (السندات المتناقلة) ويمكن أن تُغطى بسهولة أو تُنظف من خلال طبقة من التحلل السائلي وتُستغل هذه الطبقات في أماكن التموين العالية.

ومن حيث المرونة، فإن طبقة واحدة قابلة للغطاء بشكل ملحوظ، ويمكن أن يطوي أحد المحاورين مثل الورق دون كسر، وذلك تحديدا لأن السندات الموجودة في الخطة قوية جدا، كما أن قوات فان دير والس بين طبقات في كومة صغيرة تسمح أيضا بالتخفيض والتناوب النسبيين، مما يؤدي إلى ظواهر مثل طبقة الفلورية (الاحتكاك الزهري) عندما يكون هناك موصلان للموارد.

2 دال - الاستبعاد وارتفاع عدد المواد

إن السمة المميزة لبلورات فان دير والس المطبق هي قدرتهم على العزل في صحائف الذرة، فالتقسيم الميكانيكي (طريقة الشرائط) لا يعمل إلا لأن سطو الطوابق ضعيف بما يكفي للتغلب عليه بواسطة قوى متماسكة من الشريط، ومع ذلك لا يتطلب الضعف بحيث تفصل الطبقات تلقائياً.

  • Liquid-phase exfoliation] - المادة السائبة مرصودة في مذيب يطابق طاقة السطح في الطبقات، ويضعف الطليق فان der Waals الجذابة ويشتتت واحد أو القليل من الشعلات.
  • Ion intercalation] — lithium or sodium ions are inserted between layers, increasing the interlayer spacing and drastically reducing Van der Waals forces, making exfoliation extremely efficient. This is the basis for producing MoS2 and WS2 monolayers on an industrial scale.
  • Electrochemical exfoliation] - باستخدام فولتية مطبقة لتوصيل الأيون إلى الفضاء المشترك، مما يخلق فقاعات غازية تفصل الطبقات.

وقد أدت القدرة على عزل المجندين إلى ثورة فيزيائية المواد المزودة بأجهزة ملوثة، حيث إن كل مادة جديدة من مواد الـ 2D تُنتج خصائص إلكترونية أو بصرية أو آلية فريدة، كما أن قوى فان دير والس الميكانيكية الضعيفة بين مختلف الطبقات تسمح بتقطيع المواد المتفرقة (الهيكلات الحرارية) دون قيود على تطابق الظواهر اللامعية، وقد أصبح هذا المفهوم منبراذجاً قوياً.

النقل الكهربائي والحراري

ففي المواد المطبق عليها، يكون للتركيب الضعيف بين الطوابق آثار عميقة على السلوك، فعلى سبيل المثال، فإن الرسم البياني السائب هو شبه متري لأن ضعف تفاعل فان دير والس بين طبقات الترميز يؤدي إلى تداخل صغير بين الورم وفرق التسلية، وعندما يُنقَص إلى طبقة واحدة، يصبح الرسم البياني موصلاً شبه متجانس مع قنوات الديراكب.

كما أن السلوك الحراري يُظهر انفصالاً كبيراً، إذ إن السلوك الحراري في المخطط هو من بين أعلى المعالم المعروفة (التي تجاوزت 3000 دبليو/م أكسيكو)، بينما تكون السلوكية عبر الكوكب أقل من ذلك لأن الزواحف يجب أن تنقل عبر فجوات فان دير والس، ويُستغل هذا التحلل في تطبيقات الإدارة الحرارية، حيث يمكن أن تُوجِّه المواد العضلية على طول الطائرة.

النشاط الكيميائي والتداخل

أما الأماكن التي تتسع فيها بلورات فان دير والس فهي أساساً مجارات نانوية يمكن أن تستضيف ذرات أو جزيئات أجنبية، وهذه العملية، المعروفة بالترابط، تقودها قوى المتقاطعات الضعيفة - يمكن أن تدخل الأنواع الضيفة بحواجز طاقة منخفضة نسبياً، وفي البلورات، تشكل مركبات التكتل مثل مركبات التقاطع الجاموسية، مع المعادن الكلينية.

كما أن ردة فعل أطراف الطبقات (حيث توجد سندات مقلدة) مقابل الطائرة البصلية (حيث تهيمن قوات فان دير والس) تؤدي دوراً أيضاً، حيث تحدث ردود فعل حفازة كثيرة بشكل تفضيلي في مواقع حافة المحفزات المطبقة مثل المو س-2، حيث يسمح الضعف الملزم بين المبيد بالكشف عن الحوافات، ويساعد فهم قوات تفاعل فان دير فالز على التحكم في تطور هذه المواد الحفازة وتركيبها.

الطلبات التي دفعها فان دير والس

اللبنات الصلبة

وتجعل قوة الشظايا المتدنية من الغرافيت والجهاز الموس-2 من المتميزات الصلبة، خاصة في البيئات التي لا يمكن فيها استخدام الزيوت السائلة (الفراغ العالي، أو درجة الحرارة العالية، أو الضغط العالي) وتكفل قوات فان دير والس للأفلام الميكانيكية التمسك بالأسطح المهتز، بينما يتيح الربط بين الطوافات الضعيفة إمكانية استيعاب الطوابق ذات الحركة النسبية.

تخزين الطاقة وتحويلها

وتعتمد بطاريات الليثيوم على التقاطع القابل للعكس بين أيون الليثيوم في الغرافيت، ويجب أن تكون قوات فان دير والس قوية بما يكفي لحمل الطبقات معا بعد إدخال الليثيوم ولكنها ضعيفة بما يكفي للسماح بنشر الأيون، وينطبق نفس المبدأ على أجهزة التزود بالدمغات التي تستخدم كأجهزة للتنديد أو كوارث في الجيل القادم من البطاريات والمواقف المشحونة.

الإلكترونيات والتصوير الضوئي

فان دير وولز) )(( هياكل متطورة - أكوام مختلفة من مواد الـ ٢ دي التي كانت محتفظة بها فقط من قبل قوات فان دير والس - يمكن تصميم أجهزة ذات مرونة غير مسبوقة - مترجمات ذات تأثير ميداني، محركات ملتقطة للصور، وأجهزة نقل خفيفة، وحتى أجهزة نقل النفق تم برهنها باستخدام الغرافيني، وجهاز h-BN، وMS2، ونتائج الأشعة فو النسيجية سوداء

نانويكديس و تزكية

ويمكن أن يؤدي إضافة كميات صغيرة من المواد المطبقة إلى البوليمرات أو السيراميات إلى تحسين القوة الميكانيكية والاستقرار الحراري وخواص الحاجز، حيث تحدد قوات فان دير والس بين طبقات ومصفوفة التشت ونقل الحمولة، وتستخدم غرافين وه-بوين كتعزيزات في الندوات النانوية، حيث تتيح التفاعلات الضعيفة بين المشغلات للمضخة أن تزيل الوزن الكلي وتوزعه دون إضافة الزينة.

الاستنتاج: استمرار أثر القوات الضعيفة

وكثيرا ما توصف قوات فان دير والس بأنها ضعيفة، ولكن في البلورات المطبقة، فإن عملها الجماعي هو أي شيء غير مهمل، وهي تحكم سهولة تنزلق الطبقات، والطاقة اللازمة لإبطال الاحتكار، وتداخل الأورام، والجمع الإلكتروني بين الشرائح، ومن الخلل المتواضع إلى أكثر الهياكل الهضمية تقدما، فإن هذه القوى البحثية ترتكز على سلوك طبقة واسعة من الكائنات الحية.