D23 Medição das forças de van der Waals

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Em superfícies limpas e secas, as forças de van der Waals são as principais responsáveis ​​pela adesão de fungos de insetos. Embora essas estruturas adesivas também dependam de outros mecanismos em diferentes condições, quando não há água ou contaminação presente, é essa força de van der Waals, atuando em escala atômica entre a superfície do fungo e o substrato, que mantém todo o contato adesivo, permitindo que o fungo permaneça aderido à superfície sem a necessidade de umidade ou substâncias adesivas adicionais.

A medição direta dessa força de van der Waals requer um modo de operação especial do microscópio de força atômica, conhecido como modo sem contato. Nesse modo, a alavanca oscila continuamente em sua própria frequência de ressonância sem tocar a superfície. O gradiente da força de van der Waals que atua na ponta faz com que essa frequência de ressonância se desloque proporcionalmente à intensidade desse gradiente. É precisamente essa mudança de frequência que é registrada como o sinal de medição.

Essa mudança de frequência nem sempre corresponde ao mesmo regime de força de van der Waals: em separações menores que dez nanômetros, a chamada força de Hamaker domina, enquanto em separações maiores, começam a aparecer efeitos de atraso eletromagnético, descritos pelo espalhamento de Casimir-Polder, fazendo com que a força se desvie da aproximação de Hamaker.

A magnitude que governa essa força de Hamaker em pequenas separações é uma propriedade fundamental do sistema conhecida como constante de Hamaker, cujo valor depende das propriedades dielétricas dos materiais em contato. Isso significa que cada combinação de materiais resulta em uma constante de Hamaker diferente. Calcular essa constante da forma mais rigorosa possível requer recorrer à teoria de Lifshitz, que integra todo o espectro de flutuações eletromagnéticas de ambos os materiais em vez de tratá-los como corpos simples.

Para determinar experimentalmente a constante de Hamaker, são registradas curvas do deslocamento da frequência de ressonância em função da distância entre a ponta e a superfície. O ajuste do modelo de Hamaker a essas curvas permite extrair um valor numérico para a constante a partir de dados puramente experimentais. A aplicação deste procedimento a cogumelos cuticulares em repouso sobre substratos hidrofílicos produz valores da constante de Hamaker da ordem de cinquenta zeptojoules, surpreendentemente semelhantes aos obtidos no sistema quitina, água e vidro.

Esta constante de Hamaker aparentemente pequena faz com que a pressão adesiva resultante exceda um milhão de pascais quando a distância entre o cogumelo e a superfície é reduzida a apenas um nanômetro. É precisamente esta intensa pressão adesiva que explica como um cogumelo com um raio de apenas cem nanômetros pode gerar, graças às forças de van der Waals, forças de adesão da ordem de nanonewtons em superfícies limpas e secas.

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