Физики предложили новый подход в рассмотрении межмолекулярного взаимодействия, как взаимодействия волн плотности заряда.

Коллектив физиков из Люксембурга, США и Германии предложил принципиально новый механизм образования межмолекулярного взаимодействия. Исследователи рассматривают его не как взаимодействие частиц, а как связь между волнами плотности заряда (электронов). Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Взаимодействие волн заряда определяет атомарную и молекулярную структуру различных материалов.

Молекулярный электрический диполь на примере воды. Отрицательный заряд (красный) сосредоточен у атома кислорода, а положительный (голубой) у атомов водорода. (Илл. Wikimedia Commons/PD)

Атомы и молекулы, как известно, нейтральны, а значит, электрически взаимодействовать не должны. Но когда они расположены очень близко, так, что электронные оболочки атомов перекрываются, то происходит поляризация – смещение электронов относительно ядер, и образуются так называемые электрические диполи, с одной стороны которых расположен положительный заряд, а с другой отрицательный.

А некоторые молекулы имеют дипольный характер изначально. В этом случае между молекулами появляются силы взаимодействия, названные по имени голландского физика Ван дер Ваальса, который ввел их в далеком 1869 году, чтобы объяснить, почему поведение реальных газов отличается от идеального газа. За свои работы он был удостоен Нобелевской премии за 1910 год.

Силы Ван дер Ваальса широко распространены в природе и играют решающую роль в образовании и устойчивости различных молекулярных структур в биологии, химии, физике и материаловедении. Например, как полагают, именно они обеспечивают стабильность двойной спирали ДНК. За последние два десятилетия далеко вперед шагнули нанотехнологии, позволившие создать материалы с уникальными  свойствами, в частности, полимерные композиты, то есть материалы из нескольких составляющих. А для того, чтобы понять их свойства, надо представлять, как они самоорганизуются на молекулярном уровне. Сборка таких материалов происходит в основном за счет сил Ван-дер Ваальса. Поэтому интерес к этим силам не ослабевает. А эксперименты показывают, что с ними все не так просто.

Развитие квантовой механики добавило вторую возможность возникновения сил Ван-дер Ваальса – благодаря флуктуациям вакуума. Вакуум по современным представлениям совсем не пуст. Он представляет собой кипящий суп из рождающихся и гибнущих различных виртуальных частиц и античастиц. Они также могут приводить к поляризации молекул и появлению межмолекулярных сил.

Авторы данного исследования предложили рассматривать межмолекулярное взаимодействие как связь между волнами плотности заряда (электронов), а не частицами. По словам руководителя работ, профессора Люксембургского университета Александра Ткаченко, в классическом случае молекулы рассматриваются как две цепочки атомов, и в них определяются точки, которые притягиваются друг к другу. Затем просто суммируются все пары. Но на самом деле это не так, и вместо частиц необходимо рассматривать волны. 

Исследователи  полагают, что такое принципиально новое представление поможет преодолеть разрыв между двумя перечисленными точками зрения на природу сил, а также поможет ученым понять и контролировать взаимодействие между объектами на наноуровне, поскольку обеспечивает количественно точную вычислительную основу для прогнозирования химических и физических свойств. По оценкам ряда специалистов эта работа может оказать существенное влияние как на понимание природы сил, так и на развитие наук о материалах и технологий.

По материалам Корнельского университета.