什么是范德华力？

说明：本文华算科技主要介绍范德华力的物理来源、取向力诱导力色散力三种分量、随距离与分子性质的变化规律，以及在二维材料层间、物理吸附和胶体分散中的作用。

范德华力是什么？

两个电中性、没有净电荷的分子彼此靠近时，仍会出现微弱的相互吸引。这种吸引来自分子内部电荷分布的瞬时起伏和偶极，属于分子间作用力，区别于共享电子的共价键、正负离子之间的离子键与金属键。单对分子之间的范德华作用能只有零点几到几 kJ/mol，共价键则在约 100–400 kJ/mol。

范德华力普遍存在于所有原子和分子之间，包括不带偶极的惰性气体。荷兰物理学家范德华在修正理想气体状态方程时，用一项额外吸引描述真实气体偏离理想行为，这一作用以他的名字命名。氩、氙等惰性气体能在低温下液化，靠的正是这种微弱吸引。

单对分子的范德华作用能虽小，但在大量分子接触时逐个累加，能形成可观的宏观效果。液体的沸腾与凝聚、壁虎脚掌的附着、粉体团聚都由累积的范德华吸引主导。作为参照，氢键强度约 10–40 kJ/mol，介于范德华力与共价键之间。

范德华力由哪几种作用构成？

范德华力可分为三种分量。

取向力出现在都带永久偶极的极性分子之间，例如两个氯仿或两个丙酮分子。这类偶极倾向于按正负相对排列，升温会削弱排列并减弱这一分量。

第二种是诱导力，来自永久偶极对邻近分子的极化。带偶极的分子使邻近分子的电子云变形，感生出方向相反的诱导偶极，两者彼此吸引。极化率越高的分子越容易被诱导，非极性分子在极性分子附近也会因此受到吸引。

第三种是色散力，也称伦敦力，存在于一切原子和分子之间。即使分子不带永久偶极，其电子云也在不停涨落，某一瞬间形成瞬时偶极，随即诱导邻近分子产生方向匹配的偶极。惰性气体、烷烃这类非极性物质之间的吸引几乎全部由它贡献。

对多数分子，色散力是三种分量里最大的一项。分子越大、电子越多、越容易被极化，色散力越强。取向力只在极性分子间出现，诱导力介于两者之间，三者叠加构成完整的范德华力。

范德华力随距离和分子性质怎样变化？

范德华吸引随分子间距增大而迅速减弱，近距离处又受到电子云重叠带来的强烈排斥。吸引项与排斥项叠加，形成一个带平衡间距的势能低谷。平衡位置约等于相互靠近的两个原子的范德华半径之和，例如石墨层间距为 0.335 nm。

两个分子之间的色散作用能随间距 r 的六次方倒数（∝ r^-6）衰减，比库仑力的 r^-1 短程得多。在扩展的球体或平板之间，逐对累加会让衰减变慢，随几何形状按 D^-1 到 D^-2 变化。间距每增大一倍，两分子间的作用能降到约 1/64。

当两个原子逼近到电子云开始重叠，泡利排斥急剧上升，在伦纳德-琼斯势中以 r^-12 描述。吸引项与排斥项的平衡点确定了原子间的接触距离。这一距离对应分子晶体的分子间距，也对应层状材料的堆垛间距。

分子的极化率和电子数量决定色散力强弱。原子越大、外层电子越松散，瞬时偶极越显著。惰性气体的沸点从氦、氖、氩到氪、氙依次升高，正对应极化率的递增；直链烷烃随碳链加长，沸点同步上升。

分子间的接触面积也影响范德华力：直链烷烃比同碳数的支链异构体贴合更充分，吸引更强、沸点更高。在凝聚体系里，范德华作用的强弱由哈马克常数刻画。该常数随物质极化率和密度增大而升高，可比较不同介质间的范德华作用。

范德华力在材料中怎样发挥作用？

在材料中，范德华力承担层状晶体的层间结合、分子在固体表面的物理吸附，以及胶体粒子之间的相互作用。层状材料的堆垛方式、粉体的分散或团聚都与它相关。这些作用虽弱于共价键，却在结构和界面过程里持续起效。

石墨、二硫化钼（MoS₂）和六方氮化硼的原子在层内以共价键相连，层与层之间只靠范德华力结合。这种弱层间结合让机械剥离得以实现，用胶带反复揭撕石墨就能得到单层石墨烯。层间距（石墨约 0.335 nm）也由范德华平衡间距设定。

不依赖晶格匹配，把不同的二维层直接叠合，就能搭出范德华异质结；二维晶体也能在边缘拼接成横向异质结。物理吸附依靠范德华力把气体分子吸附在多孔材料表面，与形成化学键的化学吸附区别开。这种物理吸附是气体存储和 BET 比表面积测量的作用来源。

胶体粒子之间存在持续的范德华吸引，若没有对抗，就会相互靠拢并团聚。DLVO 理论把粒子间的总作用能写成范德华吸引与双电层排斥之和。两者叠加后能出现一个能垒，能垒越高，分散体系越稳定。

能垒被压低时，粒子在深势阱处发生不可逆聚沉；较远处的第二极小对应可逆的絮凝。普通密度泛函难以描述色散，计算层状材料和吸附能时需引入色散校正（如 DFT-D 方法）。分子晶体里分子的堆积方式也由范德华力主导。