Física de Materiales. Fuerzas de van der Waals (I).

Cuando se estudian las inmensas redes tridimensionales que componen las moléculas de los materiales, una de las características más importantes son las fuerzas que entran en juego. Debido a la complejidad de los átomos, estas fuerzas o enlaces que les mantienen unidos pueden ser de varios tipos, que comúnmente se les llama iónico, covalente o metálico, pero a las generalmente más débiles se les agrupa en un mismo grupo, llamado fuerzas de van der Waals, y suelen hacer que las estructuras interaccionen.



Van der Waals fue un físico holandés que brilló a principios del siglo XX, sobre todo por el estudio de los comportamientos de líquidos y gases. Las fuerzas de van der Waals no fueron descubiertas todas por él, sino que se fueron añadiendo a lo largo de los años. Básicamente son tres atractivas y una repulsiva, y cada una tiene diferentes causas. Estas fuerzas se dan entre moléculas, ya sean del mismo tipo o diferentes, pero solo son perceptibles a muy pequeñas distancias, concretamente en el orden de nanómetros (10-9m).

John Lennard-Jones, un científico británico más joven que van der Waals, quiso modelizar cómo varía el potencial de energía según cambie la distancia que separe las moléculas, desarrollando una expresión empírica (por ejemplo, el exponente 12 se eligió por su facilidad matemática al tener que calcular el de 6). La épsilon corresponde a la profundidad de dicho potencial y la sigma a la máxima distancia que puede haber entre moléculas para que haya alguna fuerza. Los resultados medidos se ajustan muy bien a esta expresión, y ha sido de gran utilidad en los estudios moleculares.


Aunque dicha expresión se ajusta muy bien, dicha fórmula se puede dividir, expandir y mejorar en las cuatro fuerzas mencionadas. Las tres atractivas son: La fuerza de Keeson (que también puede ser repulsiva) o electrostática que corresponde a la interacción entre dos dipolos permanentes, la fuerza de Debye (o dipolar) causada por un dipolo inducido (puede variar en el tiempo y desaparecer) y otro permanente, y finalmente la fuerza de London (o de dispersión) por dos dipolos inducidos, es decir, dicho por encima, debido a propiedades de la física cuántica que dice que las cargas en los átomos son probabilísticas, por lo que pueden formar dipolos espontáneos. A esta terna se le suele acuñar como orientación, inducción y dispersión respectivamente.

La cuarta fuerza que nos queda, la repulsiva, solo se hace notar a distancias muy cortas y es la responsable que dichas moléculas o átomos no se acaben pegando unos a otros, y es debida a una propiedad de la mecánica cuántica muy importante a la vez que genuina, el principio de exclusión de Pauli. Estas fuerzas se deben en gran parte a la formación de dipolos eléctricos (un cúmulo de carga positiva separado una distancia de un cúmulo de carga negativa), los cuales se miden en culombios•metro. Pero, como estamos hablando de materia microscópica, tenemos que buscar otras unidades, extremadamente más pequeñas, los llamados debyes (sí, debidos al mismo científico que la segunda fuerza atractiva), y que miden 10-30 coulombios•metro.


Estas fuerzas de van der Waals son muy direccionales (grandes solo en determinadas direcciones), importantísimas en los nanomateriales, pero también son medibles en objetos macroscópicos y sobretodo en efectos de superficie de pequeñas superficies, como en la capilaridad (ej; los lagartos escaladores). Además, son responsables de algunos efectos como de la forma esférica de los planetas (por su puesto, como máxima culpable la gravedad).

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