D23 Medición de fuerzas de van der Waals

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En las superficies limpias y secas, la fuerza de van der Waals es la responsable última de la adhesión de las setas del insecto: aunque estas estructuras adhesivas dependen también de otros mecanismos en condiciones distintas, cuando no hay agua ni contaminación de por medio es esta fuerza de van der Waals, actuando a escala atómica entre la superficie de la seta y el sustrato, la que sostiene todo el contacto adhesivo, haciendo que la seta permanezca pegada a la superficie sin necesidad de humedad ni de sustancias adhesivas adicionales.

Medir directamente esta fuerza de van der Waals exige recurrir a un modo especial de operación del microscopio de fuerza atómica, conocido como modo de no contacto, en el que el cantiléver oscila continuamente a su propia frecuencia de resonancia sin llegar a tocar la superficie, y el gradiente de la fuerza de van der Waals que actúa sobre la punta hace que esa frecuencia de resonancia se desplace de forma proporcional a la intensidad de ese gradiente: es precisamente ese desplazamiento de frecuencia el que se registra como señal de medición.

Ese desplazamiento de frecuencia no responde siempre al mismo régimen de la fuerza de van der Waals: a separaciones menores de diez nanómetros domina la llamada fuerza de Hamaker, mientras que a separaciones mayores empiezan a aparecer efectos de retardo electromagnético, descritos por la dispersión de Casimir-Polder, que hacen que la fuerza deje de comportarse según la aproximación de Hamaker.

La magnitud que gobierna esa fuerza de Hamaker en el régimen de separaciones cortas es una propiedad fundamental del sistema conocida como constante de Hamaker, cuyo valor depende de las propiedades dieléctricas de los materiales que están en contacto, lo que hace que cada combinación de materiales dé lugar a una constante de Hamaker distinta: calcular esa constante de la forma más rigurosa posible requiere recurrir a la teoría de Lifshitz, que integra todo el espectro de fluctuaciones electromagnéticas de ambos materiales en lugar de tratarlos como cuerpos simples.

Para obtener esa constante de Hamaker de forma experimental, se registran curvas del desplazamiento de la frecuencia de resonancia en función de la separación entre la punta y la superficie, y ajustar el modelo de Hamaker sobre esas curvas hace posible extraer un valor numérico de la constante a partir de datos puramente experimentales: al aplicar este procedimiento sobre setas de cutícula posadas sobre sustratos hidrofílicos, se obtienen valores de la constante de Hamaker del orden de cincuenta zeptojulios, sorprendentemente parecidos a los que arroja el sistema formado por quitina, agua y vidrio.

Esa constante de Hamaker, tan pequeña en apariencia, hace que la presión adhesiva resultante supere el millón de pascales cuando la separación entre la seta y la superficie se reduce hasta apenas un nanómetro, y es justamente esa presión adhesiva tan intensa la que explica cómo una seta con un radio de apenas cien nanómetros puede generar, gracias a la fuerza de van der Waals, fuerzas de adhesión del orden del nanonewton sobre superficies limpias y secas.

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