Introducción: La fuerza sutil que forma materiales aprehendidos

Cuando pensamos en materiales fuertes, solemos visualizar bonos covalentes o lattices iónicas. Sin embargo, algunos de los cristales más importantes tecnológicamente: grafito, disulfuro molibdeno, y nitruro de hierro hexagonal, generan sus propiedades más distintivas de una interacción mucho más débil: Van der Waals. Estas atracciones intermoleculares, aunque individualmente es débil, actúan a través de los huecos entre la capa dictato

Las fuerzas de Van der Waals son fundamentalmente diferentes de los vínculos covalentos o iónicos que mantienen los átomos unidos dentro de una capa. Se derivan de fluctuaciones transitorias en densidad de electrones, creando dipoles temporales que inducen dipoles opuestos en átomos vecinos. El efecto acumulativo a través de una interfaz macroscópica puede ser sorprendentemente fuerte, pero todavía órdenes de magnitud más débil que los vínculos primarios.

Entendiendo a las fuerzas de Van der Waals

Origen y Tipos

Las fuerzas de Van der Waals son nombradas por el científico holandés Johannes Diderik van der Waals, quien, en 1873, propuso primero su existencia para explicar las desviaciones de la ley de gas ideal. Hoy, reconocemos tres contribuciones distintas:

  • Las fuerzas de Corea (inacciones de dipolo-dipolo) – ocurren entre moléculas con momentos dipolos permanentes. El final positivo de una dipole atrae el final negativo de otra.
  • [dipole inducido]] surge cuando una dipola permanente polariza una molécula cercana, creando una dipola inducida.
  • ] Fuerzas de dispersión londres (dipolo inducido por dipolo instantánea) – presentes en todos los átomos y moléculas, incluso no polares. Las fluctuaciones en la distribución de electrones crean un dipolo temporal, que induce una dipole en un vecino. Las fuerzas de Londres dominan en cristales no poliares de capa como el grafito.

En las estructuras de cristal estratos, las fuerzas de dispersión de Londres juegan el papel dominante porque las capas mismas son a menudo carga-neutral y no poliar. La fuerza de estas fuerzas depende de la polarización de los átomos — átomos más pesados con nubes de electrones más difusas generalmente presentan interacciones de dispersión más fuertes. Por ejemplo, la atracción Van der Waals entre capas de nino de nino de carbono es varias veces más fuerte por área

Medición de las interacciones de Van der Waals en Solids

La energía asociada con las fuerzas de Van der Waals en materiales estratos normalmente va desde 10–100 meV por par de átomos, mucho más pequeña que las energías de unión covalente (eV total). Sin embargo, cuando se multiplica por el enorme número de átomos a través de una interfaz de capa, la interacción total se vuelve sustancial.

También es importante señalar que las fuerzas de Van der Waals son de corta distancia, descayendo como el inverso sexto poder de distancia. Esto significa que incluso una pequeña separación entre capas reduce drásticamente la fuerza de interacción. En los cristales estratados, la distancia entrelazados (típicamente 3-4 Å) es precisamente donde las fuerzas de Van der Waals son más efectivas.

Estructuras de cristal de capa: un universo de huesos de roble

Un cristal estrato es uno en el que los átomos están fuertemente unidos dentro de hojas bidimensionales, y estas hojas se apilan entre sí con una unión mucho más débil entre ellos. Los enlaces intracapa son generalmente covalente (graphite, MoS2) o iónico-covalent ( minerales de la cadena), mientras que la adherencia de la intercapa es predominantemente Van der Waals.

Gráfico: El material de capas Quintessential

El grafito consiste en pilas de capas de grafino, cada una de las más fuertes conocidas, dando a cada hoja una extraordinaria fuerza en el plano. Entre capas, sin embargo, sólo las fuerzas de Van der Waals mantienen la pila. Esta unión entre capas es lo que hace que los grafito suave y deslizante mínimos tengan una sola capa.

Más allá de la lubricación, la debilidad de las fuerzas de intercapa permite la exfoliación mecánica. Al simplemente pelar un pedazo de grafito con cinta adhesiva, se puede obtener grafieno de una sola capa, una hazaña que ganó Geim y Novoselov el Premio Nobel de Física en 2010.La facilidad de exfoliación refleja directamente el paisaje energético de Van der Waalge: la barrera energética para separar los manuales de voluminoso

Transition Metal Dichalcogenides (TMDs)

Transition metal dichalcogenides, como molibdeno disulfide (MoS2) y tungsteno desenlenide (WSe2), también forman estructuras capas. En MoS2, cada capa consiste en un plano de átomos molibdenos emparedados entre dos planos de átomos de azufre, con fuertes vínculos covalent dentro de la capa y Van der Waals entre bandas monólicas valiosas.

Las fuerzas de intercapas Van der Waals en TMD son ligeramente más fuertes que en grafito debido a los átomos más pesados (Mo, W, S, Se) y su polarización superior. Esto significa que la exfoliación de TMDs a monocapas a menudo requiere métodos más agresivos, como la exfoliación de fase líquida en solventes adecuados o la intercalación de iones seguido de la ultrasonidos.

Hexagonal Boron Nitride (h‐BN)

El nitruro de hierro hexagonal es un material estrato estructuralmente análogo a la grafita, con átomos de hierro y nitrógeno alterados en una celosía de panal. Sin embargo, la unión intracapa es parcialmente iónica (B-N), y la intercapa Van der Waals es un lubricante más débil que en grafito debido a los átomos menos polarizables y un excelente interlégrafo

La capacidad de exfoliar mecánicamente h‐BN a monocapares ha abierto aplicaciones como sustrato dieléctrico para dispositivos de grafito. La Van der Waals epitaxy de h‐BN en otros materiales es un área creciente de investigación, permitiendo la construcción de heteroestructuras con interfaces atópicamente afiladas. Para más detalles, vea

Otros materiales notables de capa

  • Fósforo negro] – un alótropo estrato de fósforo con una estructura encaída. Fuertes lazos covalidos en el plano y débil intercapa Van der Waals fuerzas le dan un bandgap tunable que varía con el número de capa. La exfoliación produce fosforeno, un material 2D con propiedades de alta movilidad electrónica.
  • Mica – familia de minerales silicatos con perfecto escote basal, permitiendo la preparación de láminas ultratinas. Las fuerzas de intercapa en mica son en parte Van der Waals y en parte electrostáticas (iones de potasio entre capas), pero la adherencia débil en general es esencial para la exfoliación en las flaks delgadas.
  • Clays and layered double hydroxides] – estos materiales naturales o sintéticos tienen capas mantenidas juntas por las fuerzas de Van der Waals e iones de intercapa. Son ampliamente utilizados como catalizadores, adsorbentes y vehículos de entrega de drogas, con espaciamiento de intercapa que se pueden sintonizar por intercalación.

Implicaciones para el comportamiento material

Propiedades mecánicas: Flexibilidad, Cleavage y Lubricación

Los débiles Van der Waals se unen entre capas gobierna directamente el comportamiento mecánico. Los cristales de capa son altamente anisotrópicos: son rígidos y fuertes dentro del plano de capa (debido a los bonos covalidos) pero pueden ser fácilmente derrames o pulido perpendicular a las capas. Esta anisotropía se explota en lubricantes - grafito y MoS2 se utilizan ampliamente en la fritura de alta temperatura.

En términos de flexibilidad, las capas individuales son notablemente flexibles. Un monocapa de grafino se puede plegar como papel sin romper, precisamente porque los enlaces en plan son tan fuertes. Las fuerzas de Van der Waals entre capas en una pila de pocos capas también permiten deslizamiento relativo y rotación, lo que conduce a fenómenos como la superlubricación (cerca de cero) cuando dos retretes de recursos traídos

Exfoliación y el Levántate de Materiales 2D

El sello de Van der Waals es su capacidad de exfoliar en láminas atómicas. La exfoliación mecánica (el método "Clave de whisky") funciona sólo porque la adherencia de intercapa es lo suficientemente débil como para ser superada por fuerzas adhesivas de la cinta, pero no tan débil que las capas se separan espontáneamente. La energía de exfoliación: la energía necesaria para separar una capa de su capa.

  • Exfoliación de fase de líquido – el material de vracs se succiona en un solvente que coincide con la energía superficial de las capas, debilitando la atracción de Van der Waals y dispersando los copos de una sola o de una capa.
  • Intercalación de hierro – los iones de litio o sodio se insertan entre capas, aumentando el espaciado de la intercapa y reduciendo drásticamente las fuerzas de Van der Waals, haciendo la exfoliación extremadamente eficiente. Esta es la base para producir monocapas MoS2 y WS2 a escala industrial.
  • Exfoliación electroquímica – utilizando un voltaje aplicado para conducir iones en el espacio de intercapa, creando burbujas de gas que empujan las capas separadas.

La capacidad de aislar monocapas ha revolucionado la física de materia condensada. Cada nuevo material 2D aporta propiedades electrónicas, ópticas o mecánicas únicas, y las fuerzas débiles de Van der Waals entre diferentes capas permiten apilar materiales disimilares (heteroestructuras) sin limitaciones de la concordancia de la rejilla. Este concepto de heteroestructuras Van der Waals se ha convertido en una poderosa plataforma para la construcción de nuevos artefactos cuánticos y fenómenos.

Transporte eléctrico y térmico

La bajada de la capa de varillas tiene efectos profundos en la conductividad. Por ejemplo, el grafito de vracs es un semimetáltico porque la débil interacción de vainas de vainas entre capas de grafito conduce a una pequeña superposición de bandas de valencia y conducción. Al exfoliarse a una sola capa, el grafeno se convierte en un semiconductor de cero-gap con cons Dirac.

La conductividad térmica también exhibe alta anisotropía. La conductividad térmica en el plano en el grafino es una de las más conocidas (excediendo 3000 W/m·K), mientras que la conductividad en el plano cruzado es órdenes de magnitud más baja porque los foones deben transferirse a través de las lagunas de Van der Waals. Esta anisotropía se explota en aplicaciones de gestión térmica, donde los materiales estratados pueden dirigir calor a lo largo del plano mientras se insulan perpenly.

Reactividad química e intercalación

Los espacios de intercapa en los cristales de Van der Waals son esencialmente galerías nanoescalas que pueden albergar átomos o moléculas extranjeras. Este proceso, conocido como intercalación, es impulsado por las fuerzas de intercapa débiles, las especies de invitados pueden entrar con barreras energéticas relativamente bajas. En grafito, compuestos de intercalación como compuestos de fuerza de grafito (GIC) se forman con metales alcales, ácidos, inte.

La reactividad de los bordes de capa (donde existen los vínculos colgantes) contra el plano basal (donde dominan las fuerzas de Van der Waals) también juega un papel. Muchas reacciones catalíticas ocurren preferentemente en los puntos de borde de catalizadores estratos como MoS2, donde la unión de intercapas débil permite que los bordes estén expuestos.

Aplicaciones impulsadas por Van der Waals Interacciones

Lubricantes sólidos

La baja resistencia de la grieta de la grafía y el MoS2 los hace excelentes lubricantes sólidos, especialmente en entornos donde los aceites líquidos no pueden utilizarse (al vacío alto, alta temperatura o alta presión). Las fuerzas de Van der Waals aseguran que la película lubricante se adhiere a las superficies deslizantes, mientras que la unión de la travesía débil permite a los aviones deslizantes acomodar movimiento relativo.

Almacenamiento y Conversión de Energía

Las baterías de iones de litio dependen de la intercalación reversible de iones de litio en grafito. Las fuerzas de Van der Waals deben ser lo suficientemente fuertes para mantener las capas juntas después de la inserción de litio pero lo suficientemente débiles para permitir la difusión de iones. El mismo principio se aplica a las DMO utilizadas como ánodos o catodes en las baterías de próxima generación y supercapacitadores.

Electrónica y Optoelectrónica

Van der Waals heteroestructuras — estacas de diferentes materiales 2D mantenidas únicamente por fuerzas Van der Waals— permiten diseñar dispositivos con flexibilidad sin precedentes. Transistores de efectos de campo, fotodetecdores, diodos de emisión de luz, e incluso transistores de túneles se han demostrado utilizando graphene, h-BN, MoS2, y fósforo negro de referencia.

Nanocompuestos y Comedores

La adición de pequeñas cantidades de materiales estratos a polímeros o cerámicas puede mejorar dramáticamente la resistencia mecánica, la estabilidad térmica y las propiedades de barrera. Las fuerzas de Van der Waals entre capas y la matriz determinan la dispersión y transferencia de carga. La gramógena y h‐BN se utilizan como refuerzos en nanocompuestos, donde las interacciones débiles entrelazador permiten al relleno exfoliar y distribuir uniformemente, fortaleciendo el composite sin añadir mucho peso.

Conclusión: El significado duradero de las fuerzas débiles

Van der Waals fuerzas se describen a menudo como débiles, pero en cristales estratados su acción colectiva es algo menos insignificante. Ellos gobiernan la facilidad con la que las capas deslizan, la energía necesaria para exfoliar un monocapa, la intercalación de iones y el acoplamiento electrónico entre las hojas. Del lápiz humilde a las heteroestructuras cuánticas más avanzadas, estas fuerzas sustentan el comportamiento de una vasta clase de materiales flexibles.