הקדמה: כוח הסובtle שמעצב חומרים מעוקלים

כאשר אנו חושבים על חומרים חזקים, אנו בדרך כלל לדמיין אג"ח קוהנדסים או ionic lattices. ועם זאת כמה מהמכשירים החשובים ביותר מבחינה טכנולוגית - קריסטל, molybdenum disulfide, ו hexagonal boron nitride -derive הנכסים הייחודיים ביותר שלהם מאינטראקציה הרבה יותר חלשה: Van der Waals הנדסה אטרקציות, אם כי באופן אישי, לפעול על פני הפערים בין שכבות אטומיות, ומדליקומטר, רק כדי למנוע את זה רק כדי למנוע את זה רק חומרים כימיים, כלומר, לא רק כדי להזיזומים, כלומר, כלומר, רק כדי לתפקוד יחיד, כמו גם את כוחות אטומיים, רק כדי למנוע את זה רק כדי למנוע את זה רק כדי להזיזומים חשמליים, רק כדי לחשמל יחיד, כלומר, כמו גם את כוחות הנדסה יחיד, כמו גם את זה, כלומר, כלומר, רק כדי למנוע את זה רק כדי למנוע את זה רק כדי למנוע את כוחות הנדסה חד-כך, רק כדי למנוע את זה רק כדי למנוע את זה רק כדי למנוע את זה רק כדי למנוע את זה, כמו גם את זה, כמו גם את זה, כמו גם את זה, כמו גם את זה, כמו גם את זה, כמו גם את זה,

כוחות ואן דר וואלאס שונים ביסודם מהאיגרות האג"ח קוהרנטי או הטוני, המחזיקים באטומים יחד בתוך שכבה.הם מתעוררים מתנודות טרנספורמטיות בדחיסות האלקטרונית, ויוצרים משקעים זמניים שגורמים לפולנים מנוגדים באטומים שכנים.האפקט המצטבר על פני ממשק מקרוסקופי יכול להיות חזק באופן מפתיע, אך עדיין הזמנות של אג"ח חלש יותר מאשר אג"ח ראשוני זה נותן חומרים יוצאי דופן של שלמות מבנית של יושרה וכושר לחימה.

« כוחות ונואלים

מקורות וסוגים

כוחות ואן דר וואלס נקראים על שם המדען ההולנדי יוהאן דאריק ואן דר וואליז, אשר בשנת 1873, הציע לראשונה את קיומם כדי להסביר סטיות מחוק הגז האידיאלי כיום, אנו מכירים בשלושה תרומות נפרדות:

  • (האינטראקציה בין הפוליפול-דיפול) – מתרחשת בין מולקולות עם רגעים קבועים של דיפול אחד, הסוף החיובי של חלקיק אחד מושך את הקצה השלילי של השני.
  • (ב) ⁇ (ב"ד) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) Londonפיזור כוחות פיזור (EvolutionFLT:1) ( dipole המושרה בפולנית) - נוכח בכל האטומים והמולקולות, אפילו לא אלה שאינם קוטביים, פלוקוציות בהפצת אלקטרון יוצרות מלכוד זמני, אשר גורם לפולה בשכן.

במבנים קריסטלים שכבתיים, כוחות הפיזור של לונדון ממלאים את התפקיד הדומיננטי מכיוון שהשכבות עצמן הן לעתים קרובות בעלות על נטיות של כוחן ולא קוטביות.כוח הכוחות הללו תלוי בקוטב של האטומים – אטומי כבד יותר עם ענני אלקטרון מטבוליים יותר מפגינים בדרך כלל אינטראקציות פיזור חזקות יותר.לדוגמה, אטרקציה ואן דר ואגאל בין שכבות של גרפן חזקה פי כמה פעמים יותר מאשר בין שכבות של ברון גבוה יותר, עקב עמידות גבוהה יותר לפחמנית, עקב יכולת פחמן.

מיזוג אוויר ואג'ל אינטראקציה בסולידריות

האנרגיה הקשורה לכוחות ואן דר וואלס בחומרים מעוכבים בדרך כלל נעה בין 10-100 meV ל- אטום, הרבה יותר קטנה מאנרגיות קישור קוה-שוויון (EV) עם זאת, כאשר מוכפלת ממספר עצום של אטומים על פני ממשק, האינטראקציה הכוללת הופכת משמעותית.טכניקות כגון מיקרו-עוצמה אטומית, כוח פני השטח ותאוריה פונקציונלית עם Van derals תיקונים מאפשרים לחוקרים קוונטיים ל- 0.22, כלומר, כמו גרף מספיק, כמו מיקרו- 2.

חשוב גם לציין כי כוחות ואן דר וואלס הם לטווח קצר, דעכו ככוח השישי ההפוך של מרחק.זה אומר שגם הפרדה קטנה בין שכבות מפחיתה באופן דרמטי את עוצמת האינטראקציה.ב גבישים שכבתיים, המרחק הבין-שכבתי (בדרך כלל 3-4 ⁇ ) הוא בדיוק המקום שבו כוחות ואן דר וואלס יעילים ביותר.

מבנה קריסטל שכבתי: יקום של Weak Bonds

גביש שכבתי הוא אחד שבו אטומים מחוברים מאוד בתוך דו-ממדיים, וגליונות אלה מערערמים אחד את השני עם הרבה יותר חלש חיבור ביניהם. האג"ח בתוך ה- intralayer הם בדרך כלל קוהנס (graphite, MoS2) או ionic-covalent (מינרלים חמורים), בעוד הדבקה הבין-שכבתית היא בעיקר Van der Waals. זה מופיע בטווח רחב באופן מפתיע של חומרים, עם תכונות ייחודיות של קשר חזק וחלש.

גרפיטי: החומר הנטואי

Graphite מורכב מערימות של שכבות גרפן, כל אחד דבש hexagonal של אטומי פחמן sp2-hybriated. האג"ח פחמן פחמן פחמן פחמן בתוך שכבה הם בין החזקים ביותר הידוע, נותן כל גיליון יוצא דופן בחוזק מטוס. בין שכבות, עם זאת, רק ואן דר Waals להחזיק את הערימה יחד.

מעבר לבהירות, חולשת הכוחות הבין-שכבתית מאפשרת הדבקה מכנית. פשוט לקלף חתיכה של גרפיט עם קלטת דבקה, ניתן להשיג גרפן חד-שכבתית – הישג שהרוויח ג'ים ונבוסלוב את פרס נובל לפיזיקה בשנת 2010.

Metal Dichalcogenides (TMDs)

מעבר מתכת dichalcogenides, כגון Molybdenum disulfide (MoS2) ו tungsten diselenide (WSe2), גם ליצור מבנים שכבתיים. in MoS2, כל שכבה מורכבת מטוס של אטומים molybdenum כריך בין שני מטוסים של אטומי sulfur, עם קשרים קוהנדסיים חזקים בתוך השכבה ו-Val ו-Val ו-Val כוחות בין שכבות, בניגוד ל- Mogtro2 אלקטרונית, אשר הפכו לשינויים ישירות ל-MooPTNPTNPTNUMD.

כוחות Interlayer van der Waals ב TMDs הם מעט חזקים יותר מאשר בגרף בשל האטומים הכבדים יותר (Mo, W, S, S, S), S), וקוטב גבוה יותר שלהם.זה אומר כי exfoliating TMDs למונוסטרים לעתים קרובות דורש שיטות אגרסיביות יותר, כגון ליבת נוזל-phase בפתרונות מתאימים או ion עקב אחר ידי אוטציה, למרות זאת, את התפקיד הבסיסי של וריאציות של כוחות מכניים, אשר מאפשר גם את אותה ארקידי מערכת יחסים חלשה (Vic).

Hexagonal Boron Nitride (h-BN)

hexagonal בורון nitride הוא חומר מעוותק אנלוגי לגרף, עם שינוי בורון ואטומי חנקן בלחיצות דבשcomb. עם זאת, האג"ח בתוך השכבה הוא חלקית ionic (B-N), ואת ה-Verlayer ואן דר Waals הם מעט חלשים יותר מאשר בגרף כי של אטומים פחות מקוטבים ומעט גדול יותר בין ⁇ (D) לעומת גרף כימי (Dicicial) הוא גם כן, במיוחד גרף חזק יותר, במיוחד גרף חזק יותר, 000).

היכולת לזרז את h-BN למטה למונו-שכבות פתחה יישומים כמצע דיאלקטרי למכשירים גרפיים.The Van der Waals אפיסי של h-BN על חומרים אחרים בשכבות הוא תחום גדל של מחקר, המאפשר בניית מבנים hetero עם ממשקים חדים אטומיים.

חומרים אחרים

  • (FLT:0) זרחן שחור FLT:1 - כלוט שכבתי של זרחן עם מבנה מפוקר. חזק ב-plane covalent אג"ח חלש וכוחות בין ואן דר Waals לתת לו טנגופיל כי משתנה עם שכבה. Exfoliation מניב זרחן, חומר 2D עם ניידות גבוהה ונכסים אלקטרוניים טרופיים.
  • (FLT:0)MicaveFLT:1) - משפחה של מינרלים סילקויים עם ריצוף בזיליקה מושלם, המאפשר הכנת גליונות אולטרה-אין.כוחות ה- mica הם חלקית ואן דר וואלים חלקית אלקטרוסטטי (פוטסיומאלי בין שכבות), אבל הדבקות החלשה הכוללת חיונית לפיזור דק לתוך פתיתי בשימוש בחלונות ובחלונות קפואים.
  • (FLT:0Clays ושכבות כפול הידרוקסידים של הידרוקסידראטים (FLT:1) - חומרים טבעיים אלה המתרחשים או סינתטיים יש שכבות מוחזקות יחד על ידי כוחות ואן דר ואגלס וצליחים בין-שכבות.הם משמשים באופן נרחב כזרזים, פרסומות וכלי רכב של משלוח סמים, עם שכבת ספאם הדדית שניתן לכוון אותה באמצעות אינטרקלציה.

השלכות על התנהגות חומרית

תכונות מכניות: גמישות, קלבאז' ו Lubricationcation

ה-Van der Waals החלשים המקשרים בין שכבות ישירות להתנהגות מכנית. גבישים שכבתיים הם אנזוטרופיים מאוד: הם נוקשים וחזקים בתוך מטוס השכבה (בשל אג"ח קוהנדס) אבל ניתן בקלות להחריד או לספוג perpendicular to theשכבות. aisotropy זה מנוצל ב lubricants -graphite ו-MoS2 משמשים באופן נרחב בטמפרטורות גבוהות ושפל, כאשר הם יכולים להישאר עם אטרקציה נמוכה מספיק כדי למנוע טמפרטורות אחרות.

במונחים של גמישות, שכבות בודדות הן כל כך חזק. a monolayer of גרפן ניתן לקפל כמו נייר ללא הפסקה, בדיוק כי האג"ח בתוך המטוס חזק כל כך.כוחות וואלאס בין שכבות בערימה של כמה שכבות גם לאפשר סלד יחסי וסיבוב, המוביל לתופעות כגון superlubricity (n-zero חיכוך) כאשר שתי קבוצות מבודדות מובאות לתוך משאבים חיצוניים: 0Flubriallowed: 1Clubrilubriated חומרים כגון חומרים כגון superbriated (klubriated)

גידול חומרים 2D

סימן ההיכר של וון דר וואלס שכבת גבישים הוא היכולת שלהם להיות exfoliated לתוך גלידות אטומית-האין. פיזור מכני (שיטת "Scotch") עובד רק בגלל כי דבקות בין-שכבת חלש מספיק כדי להתגבר על ידי כוחות דבקים מטייפ, אך לא כל כך חלש כי השכבות נפרדות באופן ספונטני.

  • (FLT:0) ליקוויד-פאש exfoliationtureFLT:1) - החומר הגדול הוא כל כךניקה בסוהר שתואם את אנרגיית פני השטח של השכבות, מחליש את המשיכה הבין-שכבת ואן דר וואלס ופיזור רק או מעטים פיתיקים.
  • (FLT:0) איון הבין-קליפות (FLT:1) - ליתיום או נתרן מוכנס בין שכבות, הגדלת ה- interlayer ספאcing והפחתה דרסטית של כוחות ואן דר וואל, מה שהופך את exfoliation מאוד יעיל.זה הבסיס לייצור MoS2 ו- WS2 monolayers בקנה מידה תעשייתי.
  • (ב) ,0) , פיזור אלקטרו-כימיקלי (FLT:1) – באמצעות מתח יישומי להובלת בצלים אל החלל הבין-שכבר, יצירת בועות גז שדוחפות שכבות בנפרד.

היכולת לבודד מונושכבות מהפכה בפיסיקה החומרית.כל חומר 2D חדש מביא תכונות אלקטרוניות, אופטיות או מכניות ייחודיות, וכוחות ואן דר וואלאס חלשים בין שכבות שונות מאפשרים את ערימה של חומרים שונים (המכונים "הדורות") ללא מגבלות של אטיצ'ה תואם. מושג זה של ואן דר ווטסיו הפכו פלטפורמה רבת עוצמה ללימוד תופעות קוונטיות ובניית אטומיות ואטומיות.

תחבורה חשמלית ו-thermal

בחומרים שכבתיים, ההפיכה השכבה החלשה יש השפעות עמוקות על מוליכות.לדוגמה, גרפיט גדול הוא חצימטאל כי האינטראקציה החלשה של ואן דר Waals בין שכבות גרפן מובילה לחפיפה קטנה של valence ולהקות התנהגות. כאשר exfoliated לשכבה אחת, גרפן הופך להיות מוליכים למחצה אפס-גאפ עם דיאק.

מוליכות תרמית גם מציגה אימפולסיבית גבוהה.In-plane בגרפן היא בין הגבוהים ביותר הידועים (הגיל 3,000 W/mK), בעוד מוליכות חוצה-מטוס היא פקודות של גודל נמוך יותר, כי פונינים חייבים להעביר את פערי ואן דר Waals.זה aisotropy מנוצל ביישומים ניהול תרמי, שבו חומרים שכבתיים יכולים לכוון חום לאורך המטוס תוך כדי פיזור.

פעילות כימית והתערבות

החללים הבין-שכבות ב-Van der Waals קריסטלים הם למעשה גלריות ננומטריות שיכולות לארח אטומים או מולקולות זרים.תהליך זה, הידוע כשילוב, מונע על ידי כוחות אינטרקלרציה החלשים - המין האורחים יכול להיכנס עם מחסומים אנרגיה נמוכים יחסית.בתרכובות גרפיטי, בין-קלציה כגון תרכובות גרף (GICs) נוצרים עם חומצות אלקליות, או halogens, כלומר, תכונות אלקטרוליטיות בעלות השפעה על גבייתות.

תגובתם של הקצוות השכבתיים (כאשר קיימים אג"ח מתפתל) מול המטוס הבסטיאלי (שם כוחות ואן דר וואלס שולטים) ממלאת תפקיד. תגובות קטליטיות רבות מתרחשות באופן מעדיף באתרים של זרזים מעוקלים כמו MoS2, שבו ה-Interlayer החלש מאפשר לחוד החנית להיחשף.

תגיות: Van der Waals Interactions

סולידריות Lubricants

עוצמת ה- גרף ו- MoS2 הופכת אותם ל-Lobricants מוצקים מצוינים, במיוחד בסביבות שבהן שמנים נוזליים לא ניתן להשתמש (אבק גבוה, טמפרטורה גבוהה, או לחץ גבוה) כוחות Van der Waals להבטיח שהסרט lubricant לדבוק משטחים מזחלות, בעוד החיבור בין-שכבת חלש מאפשר להחליק כדי להתאים את התנועה יחסית.

אחסון אנרגיה וסגירה

סוללות ליתיום-יון מסתמכות על ההתערבות הבלתי ניתנת לניתוק של ליתיום של ליתיום לתוך גרפיט.כוחות ואן דר וואלאס חייבים להיות חזקים מספיק כדי להחזיק את השכבות יחד לאחר ההכנסה ליתיום, אך חלש מספיק כדי לאפשר דיפוזיה ion.העיקרון חל על TMDs המשמש כ aodes או קטורדות בסוללות הדור הבא ושכבות.

אלקטרוניקה ואלקטרוניקה

ואן דר וואלים (Van der Waals heterostructures - les of different 2D חומרים המוחזקים יחד רק על ידי כוחות Van der Waals - ניתן לתכנן מכשירים עם גמישות חסרת תקדים.-אפקט טרנזיסטורים, photodetectors, diodes אור-emitting בהיר, ואפילו Transistors מנהרה הוכח באמצעות גרפן, h-BN, MoS2, שחור זרחן, ו-Fsphorus העדר של צינורות; ו-ViFedd) ב-Vt-Vi-Valddddddddd; ו-V (V) מלכודות תאים) בממשקים (Vt; VVt; Vtlingdancediald) ב-Vert: ⁇ dphing (Vert; ו-Vert; Vern-Vert; Vtling) ב-Vertlingdphing) ב-Vern-Vern-Vern-Vtlingdials) ⁇ tials) ב-V (V (Vtlingdancedances) ⁇ tials) ⁇ dphing מלכודות ו

ננוקום ו-Kelings

הוספת כמויות קטנות של חומרים מעוותים לפולימרים או קרמיקה יכול לשפר באופן דרמטי את העוצמה המכנית, יציבות תרמית ותכונות מחסום. כוחות ואן דר וואלאס בין שכבות לבין הממטריקס לקבוע פיזור ועומס. Graphene ו- h-BN משמשים חיזוקים nanocomposites, שבו אינטראקציות בין שכבות חלשות מאפשרות למלא כדי exfoliate ולהפיץ אחידות, חיזוק ללא תוספת משקל מורכב הרבה.

מסקנה: הקרבה של כוחות חלשים

כוחות ונדלים של ואן דר מתוארים לעתים קרובות חלש, אבל בקריסטלים שכבתיים הפעולה הקולקטיבית שלהם היא כל דבר מלבד רשלנות.הם שולטים בקלות עם אילו שכבות מחליקות, האנרגיה הנדרשת כדי לזרז מונופילה, ההתערבות של מושגים, ואת ההפיכה האלקטרונית בין הסדינים.מעיפרון הצנועה לאחסון האנקוויטיפי המתקדם ביותר, כוחות אלה תחת התנהגות של מסגרת טכנולוגית עצומה של שני חומרים ננו-ממדיים, אשר ממשיכים להאיץ רק כדי להאיץ את החומרים הפונקציונליים של אחסון עמוק.