分子間力(ヤモリ効果、ファンデルワールス力、クーロン力)

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分子間力としては『ファンデルワールス力』と『クーロン力』がある。

ただし、ファンデルワールス力とクーロン力は全く別物というわけではない。

勿論、クーロン力は電気的な引力である。

つまり、ファンデルワールス力も電気的引力である。

ただし、ファンデルワールス力はすべての原子間にはたらく。

その意味で、ファンデルワールス力の振る舞いは重力に近い。

よく知られているように、気体は気体の状態方程式によって記述される。

ここにファンデルワールス力を考慮したものを『ファンデルワールス気体』という。

ヤモリの指の接着性はファンデルワールス力によると考えられる。

ヤモリは『ヤモリ効果』によって積極的にファンデルワールス力を利用している。

つまり、ヤモリの接着性はヤモリ効果によるものであり、接着剤によるものではない。

ヤモリ効果を生物模倣することでファンデルワールス力による接着テープをつくれる。

つまり、この接着テープは接着剤を必要としない。

このようなヤモリテープは工業的に有用である。

ファンデルワールス力って何?
ファンデルワールス力は分子間力の1つ。

すべての原子(や分子)の間にはたらく引力。

例えば、メタンやアルゴンにもはたらく。
どういう力?重力?電気的引力?
電気的引力。ただし、クーロン力とは区別される。
けど、メタンは無極性分子で電荷の偏りはないはず・・・。

それなのに、メタンに電気的引力としてファンデルワールス力がはたらくの?
たしかに、無極性分子は電荷の偏りをもたない。

つまり、無極性分子まわりの平均的電場は 0 となっている。

けど、電子は分子内で運動しているから瞬間的には電場が生じている。

つまり、無極性分子は瞬間的に双極性(有極性分子)のようになっている。

これによって分子間に電気的な引力がはたらく。これがファンデルワールス力。
ファンデルワールス力の大きさは?

クーロン力は逆二乗則だから、ファンデルワールス力も逆二乗則?
ファンデルワールス力は分子間の距離の7乗に反比例する。逆7乗則。
距離の7乗!?それなら、距離が近くなるとファンデルワールス力は急激に強くなるね。
そう。実際、メタンやアルゴンの液体はファンデルワールス力による。
むしろ、何で完全にくっついて固体のようにならないの?
引力と反発力の様子は次のように 『 ポテンシャル曲線 』 として表される。



分子間の距離が小さくなると、反発力が急激に増加する。

これにより、極小点 A がつくられ、これが実際の分子間距離に相当する。

ただし、分子間の距離が厳密に極小点 A で固定されているわけではない。
双極子(有極性分子)の場合は、クーロン力がはたらくよね?
そう。その場合は、素直に正電荷と負電荷で電気的な引力がはたらく。
ファンデルワールス力とクーロン力の影響はどちらが強いの?
概ね、作用範囲は [ クーロン力>水素結合>ファンデルワールス力 ] の順番。

つまり、ファンデルワールス力の作用範囲が最も小さい。
具体的に、ファンデルワールス力の作用範囲はどのくらいなの?
分子の直径の3倍程度。

つまり、少し分子間の距離が離れるだけでファンデルワールス力は急減少する。
クーロン力は距離の二乗に反比例するんだよね。
そう。クーロン力は双極子にはたらく。

距離の二乗に反比例するから、分子間距離の増大に対して緩やかに減少する。

だから、クーロン力は比較的に遠くまで影響する。

例えば、水蒸気は水分子で、クーロン力の影響がある。

この場合は水素結合の気体バージョンと見なせる。
すべての原子はファンデルワールス力をもつんだよね?

けど、机の上に物を置いても机に接着しないよ?
それは接する面積が少ないことによる。

マクロでは平坦にみえても、ミクロでは凹凸がある。

だから、物と机の実質的な接触面積は小さい。
じゃあ、接触面積を増やせばファンデルワールス力で接着する?
そう。

実際、ヤモリはファンデルワールス力によって接着性をもつと考えられている。

これによってヤモリは壁や天井を平気で歩く。

ガラスでも大丈夫。
ヤモリの接着性は粘液によるものじゃないの?
粘液じゃないし、水もあまり関係ないらしい。

もし水が関与していれば、面の撥水性や親水性によって接着性が異なるはず。

けど、実際には接着性に違いはみられないらしい。

だから、ヤモリの接着性はファンデルワールス力による。
具体的に、ヤモリはどのようにしてファンデルワールス力を利用しているの?
一見、ヤモリの指は滑らかにみえる。

けど、拡大してみると山谷構造が現れる。

さらに拡大すると、山は毛が密集することでつくられている。

ただし、毛の先端は細かく枝分かれしていてブロッコリーのようになっている。

これによって面との接触点を増やしている。

これによってファンデルワールスが効果的にはたらく。

これを『ヤモリ効果』と呼ぶこともある。
谷があるなら、その部分の接触点が減るんじゃないの?
ヤモリの皮膚が柔軟に変形するから問題ない。

ちなみに、ヤモリ効果はヤモリが死んでいてもはたらく。

つまり、ヤモリの生理的なはたらきが関与しているわけじゃない。

つまり、ヤモリ効果は純粋的な化学的な性質。



参考文献

上平恒:水とはなにか,講談社,2013.

○ ポテンシャル曲線の図(28)

○ クーロン力、水素結合、ファンデルワールス力の作用範囲(27)

参考文献

ピーター・フォーブズ:ヤモリの指,早川書房,2007.

〇 ヤモリ効果(133,139,144,145)