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.

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.

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

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.