Nos amies les bêtes

[Santon 17]

Pas la vallee des singes ; Zoo de la Palmyre pres de Royan

[Kayou]

Au resto, sous les tilleuls.... des piafs qui s'invitent.

[Kayou]

Et lui, le petit Gecko, qui s'est introduit subrepticement dans la maison ... et hop, retour dans le jardin, parmi les fleurs et les cailloux.

[lomdumtblanc]

Ca fait quoi comme sensation la force de Van Der Walls sur les doigts???

[Kayou]

C'est une bonne question, et je te remercie de me l'avoir posée...

Bé... la physisorption, même si cela se passe sur un plan purement quantique, ça fait plaisir !

Force de van der Waals

En chimie, une force de van der Waals, interaction de van der Waals ou liaison de van der Waals est une interaction électrique de faible intensité entre atomes, molécules, ou entre une molécule et un cristal. Bien qu'il soit possible de décrire sommairement cette interaction en considérant les forces électriques qui sont présentes entre tous les couples de charges électriques qui forment ces atomes et ces molécules en définitive, c'est un phénomène qui ne peut bien se comprendre que dans le cadre de la physique quantique. Ces forces ont été nommées en l'honneur du physicien néerlandais Johannes Diderik van der Waals (1837 — 1923), prix Nobel de physique 1910, qui fut le premier à introduire leurs effets dans les équations d'état des gaz en 1873 (voir Gaz de van der Waals et Équation d'état de van der Waals).

On retrouve les effets de cette force à l'extrémité des pattes du gecko, assurant ainsi leur forte adhésion sur du verre.

Sommaire

• 1 Formulation
  
• 2 Effets
  
• 3 Notes et références
  
• 4 Annexes
  
  • 4.1 Bibliographie
    

  [*]5 Voir aussi

Formulation

Les forces de van der Waals ont plusieurs origines. On dénombre trois effets :

• Les forces de Keesom ou effets d'orientation.
  
• Les forces de Debye ou effets d'induction.
  
• Les forces de London ou effets de dispersion.
  

L'énergie des forces de van der Waals peut donc se formuler de la façon suivante :

Les trois termes de cette expression peuvent être décomposés de la manière suivante :

• 
  

Cette énergie est liée aux forces de Keesom, dues à l'interaction entre deux molécules polaires.

L’interaction dipôle-dipôle est beaucoup plus faible qu’une attraction ion dipôle puisque l’attraction se produit entre charges partielles. L’énergie potentielle typique de ce type d’interaction est de l’ordre de 2 kJ/mol ou moins. Cette interaction peut aussi être vue comme étant une attraction mutuelle de dipôles électriques de deux molécules polaires voisines. L’énergie potentielle de deux molécules polaires varie de façon inversement proportionnelle avec la distance à la puissance 6 entre le centre des dipôles de chacune de ces molécules¹.

• 
  

Cette énergie est liée aux forces de Debye, dues à l'interaction entre une molécule polaire et un dipôle induit.

• 
  

Cette énergie est liée aux forces de dispersion de London entre dipôles instantanés.

Ici, on a utilisé les notations suivantes :

• est la constante diélectrique du vide ;
  
• la constante de Planck ;
  
• la constante de Boltzmann ;
  
• la température absolue ;
  
• la distance moyenne entre les molécules considérées ;
  
• les moments dipolaires des molécules considérées ;
  
• , la fréquence électronique d'absorption (Hz) ;
  
• les polarisabilités électroniques.
  

Ces forces peuvent s'exprimer de manière différente, lorsque les distances entre les molécules mises en jeu deviennent plus grandes que quelques nanomètres. Il faut alors prendre en compte les effets de retard dus à la propagation de la lumière avec une vitesse finie (forces de Casimir-Polder).

L’interaction ion-dipôle et l’hydratation des cations en solutions

L’interaction ion-dipôle résulte de l’attraction d’un anion orientée par la charge partielle positive d’un dipôle ou de l’attraction d’un cation orientée par la charge partielle négative d’un dipôle. L’énergie potentielle est négative et augmente à l’inverse du carré de la distance comme l’indique la formule suivante :

²

où :

• est le moment dipolaire ;
  
• est la charge de l’ion ;
  
• est la permittivité du vide ;
  
• est la distance séparant le milieu du dipôle et l’ion.
  

L’énergie potentielle typique de ce type d’interactions est d’environ 15 kJ/mol. Cette attraction devient nulle à grande distance (entre le dipôle et l’ion). Cette interaction est responsable de l’hydratation des cations en solution³.

Les forces de van der Waals s'obtiennent en dérivant l'expression de l'énergie par , il s'ensuit qu'elles varient en .

La force de van der Waals permet également d'expliquer la rondeur de la Terre ou celle d'un liquide dans le vide.

Effets

Dans le cas de molécules polaires, cette force s'ajoute à la force purement électrostatique (de même comportement) entre les dipôles permanents. Dans le cas de molécules à symétrie sphérique, d'atomes, etc. la force de van der Waals est la seule qui entre en jeu pour ces distances.

À très longue distance, où il ne peut plus être question de liaison chimique, les forces de van der Waals entrent dans le cadre de l'électrodynamique quantique : à courte et longue distance, elles se décrivent proprement comme dues à l'échange des particules virtuelles entre les atomes. On entre alors dans le cadre des forces de Casimir, décroissant en r^-8.

Les liaisons de van der Waals n'entrent pas dans le cadre des liaisons chimiques, en ce sens que les électrons restent sur leurs atomes (ou molécules) respectifs (les termes d'échanges restent négligeables). Elles sont l'origine du terme de pression négative intervenant en correctif dans l'équation du gaz parfait. Elles sont essentielles pour appréhender les forces entre atomes de gaz noble.

Pour les très courtes distances on entre alors dans le domaine de la chimie, où les diverses liaisons (liaison hydrogène, liaison métallique...) deviennent compétitives, et peuvent l'emporter.

Les forces de van der Waals participent ainsi à la physisorption, et entrent en jeu dans le phénomène de capillarité.

Les échanges de particules virtuelles, qui sont leur fondement théorique, se retrouvent dans des phénomènes de même type : forces entre deux surfaces (voir les articles Frottement et Modélisation des actions de contact).

Les forces de van der Waals peuvent expliquer le phénomène responsable de la capacité des geckos à rester collé aux surfaces. Par plusieurs moyens, des chercheurs tentent de mettre en application cette qualité sous la forme d’un produit adhésif. Le but que les chercheurs se sont fixé est de créer un produit étant deux cents fois plus adhérant que le matériel naturel (gecko)^4,5. DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) est présentement en train de développer un moyen qui permettrait à un soldat de grimper un mur à une vitesse de 0,5 m/s dans le cadre du projet Z-Man. Les expériences en laboratoire mettent à l’essai de nouvelles technologies nano adhésives reprenant les propriétés des forces de van der Waals. Des chercheurs tels que les Dr. Ali Dhinojwala, Betul Yurdumakan, Nachiket Raravikar et Pulickel Ajayan à l’Université d’Akron et l’Institut Polytechnique Rensselaer de New-York aux États-Unis ont mis au point un matériel à base de colonnes de nanotubes qui réagirait un peu comme les pattes d’un gecko bien que quatre fois plus collant que celles-ci. L’avantage de cette nanotechnologie est le fait que le matériel adhère solidement mais qu’il peut ensuite être retiré sans perdre aucune adhérence et par conséquent être réutilisé⁶. Les développements financés par la DARPA auprès de l'Université du Massachusetts (UMass) ont donné lieu à la création en février 2012 d'un matériau baptisé "Geckskin" (litt. peau de gecko) capable de supporter plusieurs centaines de kilogrammes avec environ 100 cm2 de produit⁷.

Notes et références

1. ↑ P. W. Atkins, Chimie Générale, Inter Editions, 1992.
   
   
2. ↑ http://chimge.unil.c...inter/1II07.htm [archive]
   
   
3. ↑ P. W. Atkins, Physical Chemistry, Freeman 5th edition, 1996, chapitre 22.
   
   
4. ↑ Synthetic gecko foot-hairs leading to reusable adhesives, consulté le 30 avril 2009.
   
   
5. ↑ Gecko-like glue is said to be stickiest yet, consulté le 30 avril 2009.
   
   
6. ↑ Nanotube adhesive sticks better than a gecko's foot, consulté le 30 avril 2009.
   
   
7. ↑ http://www.umass.edu...cles/146885.php [archive]
   

Annexes

Bibliographie

• 3.D. A. McQuarrie et J. D. Simon, Physical Chemistry: a Molecular Approach, Éditions University Science Books, 1997.
  

Applications diverses:

Slip en peau de pattes de Gecko...

etc

[Invité SPATHFLUO]

J'allais le dire...

[le sablais]

eh bé !!

[cathycat07]

Il y a des jours où poser une question à kayou est risqué.

[Invité SPATHFLUO]

D'ailleurs, depuis, tout le monde se tient à carreau...

[Evelyne]

Impressionnant.....Kayou est un puits de science.......

[Kayou]

puits = Wikipédia

[Kayou]

Doit y avoir un habitant en haut dans l'arbre qui prépare son garde manger pour l'hiver...

[Kayou]

Cousin/Cousine...ça reste dans la famille !

[gadin]

Salut tout le monde,

j'ai réussi à faire un cliché de mes voisines à poil !!!!!!

ben ouai, elles sont juste en face de chez moi ....

à+, j'en profite pour prendre la porte

Gadin

[Kayou]

Oula-la, pratiquerais-tu la traite des blanches à tes heures perdues ?

Cette porte laissée entrouverte crée comme un courant d'air ...

[gadin]

pour la traite ... pas celles-ci (Charollaises), mais je m'en taperai bien ... une tranche dans l'entre-côte ....

sacré courant d'air !

[Augustin]

L'envol...

[Evelyne]

Bien vu Augustin

[le sablais]

et bien photographié !

[Kayou]

C'est l'ombre du papillon qui se voit sur l'espèce d'écorce ?

[Augustin]

Oui oui

[Kayou]

Nice shot Augustin.

Bizarre l'effet inversé !

[Invité valanni]

[cathycat07]

kayou, l'effet n'est pas inversé car c'est le dessous du papillon qui est photographié (pattes visibles).

Je rêve de prendre une telle photo. Bravo augustin

[Kayou]

T'as de bons yeux, tu sais ! (merci)