今天在网上看到“科学大院”的一篇文章介绍了壁虎爬墙的物理学原理,说的是,壁虎脚上有数万根细小的刚毛,由于刚毛与墙壁之间的距离只有纳米级,这样壁虎就可以利用卡西米尔效应可以施加非常可观的压力将壁虎挂在墙上了 。
之前一直有文章说壁虎爬墙是因为范德华力的作用,那么为什么“科学大院”又说是卡西米尔效应呢?对此,我想借本文跟大家探讨一下,这两种说法究竟哪个对,“科学大院”的说法有没有错?

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一、什么是范德华力?范德华力是产生于分子或原子之间的吸引力,也称为分子作用力 。这种力普遍存在于组成固体、液体和气体的粒子之间 。它比化学键弱得多 。一般来说,某物质的范德华力越大,则它的熔点、沸点就越高 。对于组成和结构相似的物质,范德华力一般随着相对分子质量的增大而增强 。
范德华力有三种来源,即色散力、诱导力和取向力 。
色散力是分子的瞬时偶极间的作用力,它的大小与分子的变形性等因素有关 。一般分子量愈大,分子内所含的电子数愈多,分子的变形性愈大,色散力亦愈大 。

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诱导力是分子的固有偶极与诱导偶极间的作用力,它的大小与分子的极性和变形性等有关 。取向力是分子的固有偶极间的作用力,它的大小与分子的极性和温度有关 。
取向力与极性分子的偶极矩有关,取向力愈大;温度愈高,取向力愈小 。
范德华引力是存在于分子间的一种不具有方向性和饱和性,作用范围在几百个皮米之间的力 。它对物质的沸点、熔点、气化热、熔化热、溶解度、表面张力、粘度等物理化学性质有决定性的影响 。

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二、什么是卡西米尔效应与卡西米尔力1948年,荷兰物理学家卡西米尔发表论文指出,真空中两块电中性、完美导电的平行金属板可以相互吸引,这种效应就被称为卡西米尔效应,相应的力被称为卡西米尔力 。
如果,这两块金属板的间隔为a,则单位面积的引力(负号表示引力)为

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其中h为约化普朗克常数,c为真空光速,S为平板面积 。
从公式中我们可以看出,其一,卡西米尔效应是一个量子效应;其二,卡西米尔效应与光速有关,说明其实一个延迟效应;其三,由于卡西米尔小颖子两个物体之间的距离一般远大于传播相互作用的虚光子的波长,因此必须考虑电磁场的波动性;其四,从公式中a^4可以看出,卡西米尔力随着间距快速衰减 。

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卡西米尔效应自1948年提出至今已经70多年,如今其影响力已经渗透到多个领域 。1968年,T.Boyer按照卡西米尔的思路作了完整金属球壳上的真空涨落力的计算,发现其并非是引力而是斥力 。这个发现后来被更多的科学家所证实 。
这说明了,卡西米尔效应与几何形状或者说是拓扑结构有关,直到今天,科学家们并没有能够完全理解卡西米尔效应 。

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