化，如纳米材料的特性
有关强度、韧性、导热、导电、 介电、传感、腐蚀、氧化、催 化、能量交换、摩擦磨损、光 的吸收与反射等也都与表面与
界面特性密切相关
第一节 固体表面的基本特征
Basic Characteristics of Solid Surfaces
一、固体表面力场
✓晶体内部质点由于排列的有序性和周期重复性，所以质点 的受力场是有心对称的 ✓固体表面质点排列的周期重复性被破坏从而使表面的力场 对称性被破坏，即存在有指向性的剩余力场，最终使固体表 面表现出对其他物质有吸引作用（如润湿、粘附等），该力 称为固体表面力 ✓不同材料的固体表面力的大小不同， 即使同一材料的固体表面力随表面晶面 的不同也不同
的功，单位J·m-2
• 在液体中，原子和原子团易于移动，拉伸表面时，液 体原子间距离并不改变，附加原子几乎立即迁移到表 面。所以，与最初状态相比，表面结构保持不变。因 此液体的表面张力和表面能在数值上是相等的。只是 同一事物从不同角度提出的物理量。
• 对于固体，引起表面变形过程比原子迁移率快的多， 则表面结构受拉伸或压缩而与正常结构不同，因而， 固体的表面能与表面张力在数值上不相等。
● 表面能与杂质：材料中含有少量能使表面能减小的组分， 则会在表面上富集并显著降低表面能；若含有少量能使表面 能增加的组分，则倾向在体内富集并对表面能影响不大
它是固体表面产生物理吸附和气体凝聚的主要原因，与液体的内压、 表面张力、蒸电力）：发生在极性物质之间，相邻两 个极化的电偶极矩相互作用的力。
B、诱导作用力：发生在极性与非极性物质之间，指在极性 物质作用下，非极性物质被极化诱导出暂态的极化电偶极矩， 随后与极性物质产生定向作用。
✓依性质不同，固体表面力可分为化学力和分子力
（1）化学力：本质是静电力，来自于固体表面的不饱和价键 （可用表面能的数值来估计）
当固体表面质点通过不饱和键与被吸附物间发生“电子转移” 时，产生化学力——形成了表面化合物
（2）范德华力（分子力）：一般指固体表面与被吸附质点 （如气体分子）之间相互作用力，
C、分散作用力（色散力）：发生在非极性物质之间，非极 性物质瞬间电子分布并非严格对称，呈现瞬间的极化电矩， 产生瞬间极化电矩间相互作用。
E0
24
3r 6 kT
2 2
Ei r6
ED
3 2
r6
h
Note：
•对不同物质，上述三种作用并非是均等的； •分子间引力的作用范围极小，一般为0.3 ~ 0.5 nm •范德华力主要表现为引力 •在固体表面上，化学力和范德华力可以同时存在，但两者在 表面力中所占比重，将随具体情况而定
水滴为什么是圆 形而不是方形？
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水
水在毛细管中为什么会 上升？
表面和界面现象对于材料的制备和使用起到至关重要 的作用，是功能材料研究的前沿领域。近年来，表面 与界面起突出作用的新型材料，如薄膜与多层膜、超 晶格、超细颗粒与纳米材料等的发展正如日中天，既 发现了一系列新的物理现象和效应，又展示了应用上
在研究固体表面时，对于与机械性质有关的场合，应用表面张力 的概念，对于与热力学平衡性质有关的场合应用表面自由能
影响固体表面能的因素：
● 表面能与键性：表面能反映的是质点间的引力作用，因 此具有强键力的金属和无机材料表面能较高
● 表面能与温度：随温度升高表面能一般为减小，因为质点 的热运动削弱了质点间的吸引力
液体表面能和表面张力： 倾向于形成球形表面，降低总表面能 液体表面能和表面张力具有相同的数值和量纲。 液体表面能是可以测定的，常用毛细管法来测定，具体方法
是将一毛细管插入液体中，测定液体在毛细管中上升的高度h，
由下式求出表面张力 ：
grh 2 cos
固体表面张力和表面能的特点： （1）一般情况下，固体的表面张力与固体的表面自由能在数值不 相等（因为固体的表面能包含了弹性能）； （2）固体的表面张力是各向异性的（由于结构的各向异性及表面 不均匀所致）； （3）决定固体表面形态不是表面张力，而是形成固体表面时的条 件和它所经历的历史； （4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难
的巨大潜力
界面(Interface) ：物质的两相之间密切接触的过渡区 表面(Surface)：在稳定状态下，自然界的物质通常以气、液、 固三相存在。这三者之中，任何两相或两相以上的物质共存 时，会分别形成气-液、气-固、液-液、液-固、固-固乃至气液-固多相界面。通常所讲的固体表面（surface）实际上是 指气-固两相界面，而看到的液体表面则是气-液两相界面
表面和界面
(surface and interface)
1. 气-液界面
2.气-固界面
3.液-液界面
4.液-固界面 5.固-固界面
表面质点所处环境不同于内部质点，存在悬键或受力不均而 处于较高能态（热力学非平衡状态），呈现一系列特殊的性质
表面和界面的存在将引起材 料的熔点、沸点、蒸汽压、 溶解度、吸附、润湿、化学 活性、化学反应等方面的变
第五章 表面结构与性质
第一节 固体表面的基本特征 第二节 固体的表面结构及性质 第三节 固体的界面与结构
概述
➢理想完整晶体在于其结构完全的周期性和对称性 ➢有限大小的晶体，其表面是平移对称性终止处，是一类典 型的面缺陷（由于晶体材料与外界相互作用是通过表面来 实现的，因而表面的结构特征无论从基础理论或技术应用 的角度看，都是至关重要的） ➢另一类面缺陷出现于有限晶体的内部，称作界面（界面的 结构特征对于晶体材料的各种性质可以产生更为广泛和重 要的影响）
二、固体表面能和表面张力
固体的表面自由能是描述和决定固体表面性质的一个重要物理量
表面张力：表面层质点有趋向 于内部并使表面积有尽量收缩 的趋势，结果在表面切线方向 上有一种缩小表面的力作用， 这个力即表面张力 ，其物理意 义：作用于表面单位长度上与
表面相切的力，单位N·m-1
表面能：若要使表面增大， 相当于使更多的质点移到 表面，则必须对系统做功， 在恒温、恒压条件下，增 加一个单位表面积时所做