表面能-课件
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油层物理
R σ = S
或
R = σS
• 对于储油（气）层来说，表面张力可以存 对于储油（ 层来说， 在于以下各个界面上。即油－ ）、油 在于以下各个界面上。即油－水（σ ）、油
gw
）、气 ）、油 岩石（ －气（σ ）、气－水（σ ）、油－岩石（ ）、
ow
og
σ 水σ 岩石（ ）和气σ 岩石（ ）的界面上。 －岩石（ 和气－岩石（ 的界面上。 －
•
在油层情况下，当存在油、 在油层情况下，当存在油、气、水三 相时， 相时，油和水之间的表面张力的变化主要 取决于气体在油中的溶解度。压力越高， 取决于气体在油中的溶解度。压力越高， 气体在石油中的溶解度也就越大， 气体在石油中的溶解度也就越大，致使油 和水的极性差变大， 和水的极性差变大，油－水的表面张力也 随之增大。 随之增大。
结
•
论：
各种石油与水接触时的表面张力值不同， 各种石油与水接触时的表面张力值不同，是因 为它们两者的极性不同。或者更准确地说， 为它们两者的极性不同。或者更准确地说，是因为 各种石油中极性组分的含量不同。 各种石油中极性组分的含量不同。水相对于各种石 油来说，是一种极性最大的流体，因此， 油来说，是一种极性最大的流体，因此，随着石油 极性的减少，它们分界面上的表面张力就变大。 极性的减少，它们分界面上的表面张力就变大。
表3-1-3 在各种温度及压力下，水与气体分界面上的表面张力值 表面张力（达因 厘米 厘米） 表面张力（达因/厘米） 压 力 MPa 0 0.71 1.76 3.52 25℃ ℃ 74.1 71.1 66.5 61.8 65℃ ℃ 67.5 63.2 58.8 55.5 压 力 MPa 7.05 10.50 14.00 19.00 表面张力（达因 厘米 厘米） 表面张力（达因/厘米） 25℃ ℃ 55.9 51.6 47.9 44.1 65℃ ℃ 50.4 46.5 42.3 39.5
物理化学第八章表面
物理化学第八章表面一、表面化学的概念表面化学是研究发生在固体表面或液体表面的化学现象的科学。
在处理和制备材料、开发新工艺、研究反应机理以及在工业生产和实验室研究中，常常涉及到表面化学问题。
二、表面张力表面张力是液体表面分子之间的相互吸引力，是液体内部分子之间的相互排斥力。
其大小可以用表面张力系数γ表示。
三、弯曲液面的附加压力由于液面是弯曲的，所以液体在表面层内不仅要承受重力等一般压力，还要承受由于液面弯曲而产生的附加压力。
表面层内任一点上总压力与一般压力之差即为附加压力。
四、润湿现象润湿是指液体与固体接触时，液体会延固体表面铺展开来，这种现象叫做润湿现象。
润湿现象的产生与液体和固体的种类及它们之间的相互作用有关。
不同液体在不同固体表面上发生不同的润湿现象。
五、接触角和粘附功接触角是指液体在固体表面上附着时形成的液体-气体-固体三相交界处的切角。
接触角的大小反映了液体对固体表面的润湿程度。
粘附功是指液体润湿固体表面时，由润湿而在界面上产生的附加压力，其大小可用下式表示：W=2γcosθ(1-cosθ)其中γ为表面张力系数，θ为接触角。
六、降低表面张力的方法1、添加表面活性剂：表面活性剂可以显著地降低溶液的表面张力，并具有很好的润湿和乳化能力。
2、温度升高：温度升高可以增加分子的热运动，从而降低表面张力。
3、改变固体表面的性质：通过改变固体表面的性质（如通过化学吸附或物理吸附），可以降低表面张力。
七、应用表面化学的方法制备微纳米材料通过使用表面化学的方法，可以在固体表面上制备出各种微纳米材料。
例如，通过使用表面活性剂可以制备出纳米颗粒和纳米膜等材料。
通过使用分子束外延等方法可以在固体表面上制备出单层或多层原子膜。
这些技术在材料科学、电子学和生物学等领域中有着广泛的应用。
物理化学第十三章表面物理化学物理化学是化学的一个重要分支，它涉及到分子间的相互作用、物质的结构和性质以及它们之间的转化。
在物理化学的学习中，第十三章的内容是表面物理化学，它主要研究的是液体和气体界面上的分子相互作用和物理现象。
表面张力和表面能 课件
膜的透过性能和抗污染性能。
在大气污染控制中，表面张力用于颗粒 物的沉降和去除，从而降低大气中的颗 粒物浓度。例如，在湿法脱硫中，表面 张力用于控制液滴的粒径和分布，从而
提高脱硫效率。
THANKS
感谢观看
表面张力的物理意义
表面张力是液体表面所具有的 一种特性，它反映了液体表面 分子间相互作用的强弱。
表面张力决定了液体表面的形 状、大小以及液滴的形状和稳 定性。
表面张力在许多物理现象中起 着关键作用，如毛细现象、润 湿现象、气泡形成和破裂等。
表面张力的影响因素
温度
温度升高，表面张力降低；温 度降低，表面张力增大。
阳能电池板的效率。
在燃料电池的液态水管理中，表 面张力用于控制水分的分布和迁 移，从而影响燃料电池的性能和
寿命。
在环境保护中的应用
表面张力和表面能在环境保护中也有着 重要的应用，如水处理、大气污染控制
、土壤修复等。
在水处理中，表面张力用于控制水的表 面张力，从而提高水处理的效率。例如 ，在超滤膜过滤中，表面张力用于控制
在石油工业中，表面张力用于油水分离、油泥清洁等，以提高采收率和 生产效率。
在化学工业中，表面张力用于化学反应的速率控制、化学物质的分离和 提纯等。
在能源开发中的应用
表面张力在能源开发中也有着重 要的应用，如太阳能电池板的清 洗、燃料电池的液态水管理、核
反应堆的冷却剂管理等。
在太阳能电池板的清洗中，表面 张力起着重要作用，清洗剂的选 择和清洗工艺的优化可以提高太
物质种类
不同物质具有不同的表面张力 ，同一物质在不同温度和压力 下也具有不同的表面张力。
压力
压力对表面张力影响较小，但 在高压下也会引起表面张力的 变化。
在大气污染控制中，表面张力用于颗粒 物的沉降和去除，从而降低大气中的颗 粒物浓度。例如，在湿法脱硫中，表面 张力用于控制液滴的粒径和分布，从而
提高脱硫效率。
THANKS
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表面张力的物理意义
表面张力是液体表面所具有的 一种特性，它反映了液体表面 分子间相互作用的强弱。
表面张力决定了液体表面的形 状、大小以及液滴的形状和稳 定性。
表面张力在许多物理现象中起 着关键作用，如毛细现象、润 湿现象、气泡形成和破裂等。
表面张力的影响因素
温度
温度升高，表面张力降低；温 度降低，表面张力增大。
阳能电池板的效率。
在燃料电池的液态水管理中，表 面张力用于控制水分的分布和迁 移，从而影响燃料电池的性能和
寿命。
在环境保护中的应用
表面张力和表面能在环境保护中也有着 重要的应用，如水处理、大气污染控制
、土壤修复等。
在水处理中，表面张力用于控制水的表 面张力，从而提高水处理的效率。例如 ，在超滤膜过滤中，表面张力用于控制
在石油工业中，表面张力用于油水分离、油泥清洁等，以提高采收率和 生产效率。
在化学工业中，表面张力用于化学反应的速率控制、化学物质的分离和 提纯等。
在能源开发中的应用
表面张力在能源开发中也有着重 要的应用，如太阳能电池板的清 洗、燃料电池的液态水管理、核
反应堆的冷却剂管理等。
在太阳能电池板的清洗中，表面 张力起着重要作用，清洗剂的选 择和清洗工艺的优化可以提高太
物质种类
不同物质具有不同的表面张力 ，同一物质在不同温度和压力 下也具有不同的表面张力。
压力
压力对表面张力影响较小，但 在高压下也会引起表面张力的 变化。
固体表面与界面行为
第2晶界构型车小节不讲
2、晶界构型 晶界形状也由表面张力相互关系决定 多晶体结构，多晶体晶界形状 （1）固-固-固相 晶界交汇处均为固相，此时
多晶体面中，每一个晶界相交角度均为120°所有晶体断面的有 规律六角形状，晶界以120°相等，能量D趋于最稳定系统的总 界面能最小，且晶应当是平直的。
（2）固-固-气相 （3）固-固-液相
由此式得，曲面附加压力引饱和蒸气压变化曲面半径越小引起 蒸汽变化与愈大。
6-6 润湿分相分布
1、润湿 表面与界面之间形成液-固-气，固-固-液，固-固-气三种体
系，其中转为重要的是液-固-气系统 润湿：液体与固体接触，使固体表面能下降的现象。 润滑角θ ：液体表面张力γLV与固—液界面张力γSL之间夹角。 γSV，γSL，γLV，分别为液-固-气、固-液，固-气之界面张力
晶界应力与热彭胀系数Δ α 温度变化原底d成正比，如热膨胀为各向同性即Δα =0,τ =0。 如产生应力则晶粒越大，应力愈大强度越差，搞热冲击性也差。
6-6弯曲表面
1、弯曲表面附加压力 表面张力的存在造成弯曲表面上产生附加压力
如右图一根毛细管向其中吹气在管端形成一半径为气泡压力 增大，气泡体积增大相应表面积增加，阻碍其体积增加的阻力 为由于扩大表面积所需总表面能为克服此表面张力环境做功为
γAγB ：A、B两界面的表面能 γAB ：AB之间的表面能
粘附功：剥开单位粘附面积所需作功，粘附功W大则VAB小，
两者结合粘附牢固 相似表面易于粘附，一般金属排登陆艇它们之间的吸附层且
具足够的塑性变形可出现率固粘附即为冷焊。
4、实际表面结构 硅酸盐表面由于吸附都带有硅酸基团，吸附水而成水膜。
6-5 晶界
T↑表面能V0↓介质不同，表面能数值不同
2、晶界构型 晶界形状也由表面张力相互关系决定 多晶体结构，多晶体晶界形状 （1）固-固-固相 晶界交汇处均为固相，此时
多晶体面中，每一个晶界相交角度均为120°所有晶体断面的有 规律六角形状，晶界以120°相等，能量D趋于最稳定系统的总 界面能最小，且晶应当是平直的。
（2）固-固-气相 （3）固-固-液相
由此式得，曲面附加压力引饱和蒸气压变化曲面半径越小引起 蒸汽变化与愈大。
6-6 润湿分相分布
1、润湿 表面与界面之间形成液-固-气，固-固-液，固-固-气三种体
系，其中转为重要的是液-固-气系统 润湿：液体与固体接触，使固体表面能下降的现象。 润滑角θ ：液体表面张力γLV与固—液界面张力γSL之间夹角。 γSV，γSL，γLV，分别为液-固-气、固-液，固-气之界面张力
晶界应力与热彭胀系数Δ α 温度变化原底d成正比，如热膨胀为各向同性即Δα =0,τ =0。 如产生应力则晶粒越大，应力愈大强度越差，搞热冲击性也差。
6-6弯曲表面
1、弯曲表面附加压力 表面张力的存在造成弯曲表面上产生附加压力
如右图一根毛细管向其中吹气在管端形成一半径为气泡压力 增大，气泡体积增大相应表面积增加，阻碍其体积增加的阻力 为由于扩大表面积所需总表面能为克服此表面张力环境做功为
γAγB ：A、B两界面的表面能 γAB ：AB之间的表面能
粘附功：剥开单位粘附面积所需作功，粘附功W大则VAB小，
两者结合粘附牢固 相似表面易于粘附，一般金属排登陆艇它们之间的吸附层且
具足够的塑性变形可出现率固粘附即为冷焊。
4、实际表面结构 硅酸盐表面由于吸附都带有硅酸基团，吸附水而成水膜。
6-5 晶界
T↑表面能V0↓介质不同，表面能数值不同
光的反射ppt课件
注意：法线是为了研究问题的方便而加入的辅助线，本身不存在，因此画图时一定要画成虚线。 入射角（i ）：入射光线与法线的夹角。∠EON 反射角（r ）：反射光线与法线的夹角。∠NOF
发生光的反射现象时遵循那些规律？
提出问题
猜想：
（1）反射光线和入射光线位于法线的______（一侧/两侧）； 实验猜想 （2）反射光线、入射光线、法线_____（在/不在）同一平面内； （3）光在反射时，反射角的大小______（等于/不等于）入射角；
∠i
∠r
1
70°
70°
2
45°
45°
3
30°
30°
（2）为使入射光和反射光同时呈现在纸板上，实验中，应让纸板与平
面镜_______垂_。直
（3）多次改变光束入射的角度，用不同颜色的笔记录每次光的径迹；
取下纸板，测量∠i和∠r，将数据记录在上表中，根据数据得出的结论是 _________反__射__角__等__于__入__射_。角
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例1 为了探究“光反射时的规律”，实验小组的同学们选用了平面镜、
纸板、激光器和几种不同颜色的笔，设计了如图2所示的实验。
次数 1 2 3
∠i 70° 45° 30°
∠r 70° 45° 30°
（1）实验中需要的测量工具是____量__角__器。
领跑作业本 · 物理
第2节 光的反射
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次数
从侧面看去（ D ）
A．镜子比较亮，因为它发生了镜面反射 B．镜子比较亮，因为它发生了漫反射 C．白纸比较亮，因为它发生了镜面反射 D．白纸比较亮，因为它发生了漫反射
镜面反射
漫反射
相同点
都遵守光的反射定律
八级物理上册光的反射课件新版苏科版2(共48张PPT)
根据光的反射定律作图：
规范作图要求：
已知图1中一束光线与镜面成60°角射到平面镜上，则入射角是∠___，反射角 ∠___，反射光线和入射光线的夹角是___度。
（选择“亮”、“暗”）
1、作图必须用直尺、量角器、铅笔 古时，行军打仗，士兵们都知道，夜晚走路时，路面上亮的地方是水，暗 的地方是路。
二、探究光的反射定律： 光射到物体表面时，有一部分会被物体表面反射回来。
你知道吗？
玻璃幕墙
光污染实质上是一种 镜面 反射现象
息息相关
为什么用久了的黑板常会因“反光”而看不清上面的字？怎 样才能使黑板不“反光”？
黑板反光是门窗外来的光在黑板上发生了
板上的字发生的是
反射。
反射， 而黑
我们只要将黑板弄粗糙些就行了,例如用砂纸将黑板打磨一下.
块小平面镜平放在纸上，让手电筒的光正
对着平面镜照射，如图所示，从侧面看去，
白纸是 的，平面镜是 的。（选择
“亮”、“暗”）
为什么我们能够看见本身不发光的物体？ …………… 光射到物体表面时，有一部分会被物体表面反射回来。 光射到物体表面时，有一部分会被物体表面反射回来。 3、不管是镜面反射还是漫反射，每条反射光线都遵守光的反射定律。 已知图1中一束光线与镜面成60°角射到平面镜上，则入射角是∠___，反射角 ∠___，反射光线和入射光线的夹角是___度。 二、探究光的反射定律： 镜面反射：平面镜、玻璃、平静的水面…… 入射角： α 入射光线与法线的夹角。 1,先作法线:过镜面在入射点作垂线. 当我们背着月光走时，就选择亮的地方落脚。 光线照射到物体上，然后反射到我们的眼睛里，这就是我们能看到物体的原因。 …………… 可是，同是反射，为什么玻璃看起来很亮，而木头较暗？ 已知图1中一束光线与镜面成60°角射到平面镜上，则入射角是∠___，反射角 ∠___，反射光线和入射光线的夹角是___度。 光源本身发出的光进入眼睛 ①反射光线、法线、入射光线在同一平面上； 我们能看见发光物体吗? 光线照射到物体上，然后反射到我们的眼睛里，这就是我们能看到物体的原因。 （结果）反射光方向不同
《MS表面能计算》PPT课件
输出建模：计算能量，原子坐标
输出控制：格式，参变量
dump dump_modify 2 pad 4
2 all image 10 image.*.jpg type type & zoom 1.6 adiam 1.5
能量最小化方法，计算E0
特殊技巧处理
.
3
都改为5过程建模Biblioteka 移动盒子，移 的表面，计算产生新表面
40都改为10
计算111表面，首先几何建模的过程中要知道如何在物理和几何上产生（111
），最后通过lammps的命令的方法实现。
lattice fcc 3.615 origin 0 0 0 orient x 1 1 -2 orient y -1 1 0 orient
z111
.
4
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D. 应用Lammps程序计算材料的表面能
物理理论建模是关键，程序仅仅只能是实现的工具。
新 表 面
.
1
Cu(100) 晶面的表面能计算
改为3.615 改为 0 10 0 4 0 4
几何建模：简单晶格结构 物理建模：简单合金势函数
改为 eam
* * Cu_u3.eam 改为 8和2
区域分块
.
2
过程建模：实现真空层
基础化学课件-05胶体
粗分散系： 颗粒大，布朗运动强度弱，不明显： 分子分散系：粒子小，布朗运动强度大，非常剧烈，
但观察不到，通常称之为分子的热运动。 胶体分散系：布朗运动强度大，非常剧烈，且能观察到。
胶体内存在布朗运动的作用：
布朗运动使胶体微粒保持悬浮状态， 而不容易沉降，是使溶胶稳定的原因之一。
第二节 溶胶
一． 溶胶的基本性质
1. 胶粒带电原因
② 胶核表面分子的离解
例如：硅胶的胶核由xSiO2.yH2O分子组成，表面的 H2SiO3分子可以离解。
H2SiO3 (l)
HSiO3- (aq) + H+ (aq)
HSiO3- (aq)
SiO32- (aq) + H+ (aq)
第二节 溶胶
2. 胶粒的双电层结构
胶团结构：例如，氢氧化铁溶胶
++ +
++
+++
++ +
+
++
–
+++
电泳
+– +– +– +– +– +– +– +– +– +– +– +– +– +– +–
–+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+
+
–
电渗
第二节 溶胶
二、胶团结构及溶胶的稳定性 1. 胶粒带电原因
但观察不到，通常称之为分子的热运动。 胶体分散系：布朗运动强度大，非常剧烈，且能观察到。
胶体内存在布朗运动的作用：
布朗运动使胶体微粒保持悬浮状态， 而不容易沉降，是使溶胶稳定的原因之一。
第二节 溶胶
一． 溶胶的基本性质
1. 胶粒带电原因
② 胶核表面分子的离解
例如：硅胶的胶核由xSiO2.yH2O分子组成，表面的 H2SiO3分子可以离解。
H2SiO3 (l)
HSiO3- (aq) + H+ (aq)
HSiO3- (aq)
SiO32- (aq) + H+ (aq)
第二节 溶胶
2. 胶粒的双电层结构
胶团结构：例如，氢氧化铁溶胶
++ +
++
+++
++ +
+
++
–
+++
电泳
+– +– +– +– +– +– +– +– +– +– +– +– +– +– +–
–+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+ –+
+
–
电渗
第二节 溶胶
二、胶团结构及溶胶的稳定性 1. 胶粒带电原因
《表面张力》PPT课件
精选课件ppt
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研究岩石润湿反转的意义：
岩石润湿反转的特性，已被油田得到了广泛的合理应 用。表面活性剂驱油是合理应用润湿反转特性的一个实例。 从地面向油层注入一定量的表面活性剂溶液，通过表面活 性剂在油层岩石颗粒表面的吸附，使亲油岩石颗粒表面向 亲水转换，有利于“剥落”岩石颗粒表面的“油膜”，从 而达到提高原油采收率的目的。
σ2,3 = σ1,3 + σ1,2 cosθ σ2,3 - σ1,3 = σ1,2 cosθ=A（润湿张力）
A的物理意义：水对岩石表面选择性润湿导致油—岩石界面比表面能的减小。 润湿的实质：固体表面自由能的减小。
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4、附着功W(也称粘附功)
附着功W：指将单位面积的湿相流体(如水)从固体表面 (亲水岩石表面)驱开所
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9
曲线1：地面（脱气）原油与水的系统， 曲线2：地层（有溶解气）原油与水的系统，
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10
ห้องสมุดไป่ตู้
四、吸附作用及其与表面张力的关系
1、表面活性剂及其分子结构特性
表面活性剂：溶入少量就能显著降低溶液表面张力的物质。
表面活性剂分子特性：具有两性基团；亲水基团和亲油基团；通常用
“——O” 代表。“——” 代表亲油基团，“O” 代表亲油基团。
（5）自由表（界）面能还与两相的相态有关。 液—气相界面的自由表面能>液—液相界面的自由界面能。 液—固之间的自由界面能>液—气之间的自由表面能。
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6
二、比表面能和表面张力
1、比表面能或表面张力（σ）的基本概念 2、比表面能和表面张力的分析
（1）比表面能和表面张力都是用来衡量两相界面层表面自由能的大小， 它们具有相同的本质。
复合材料材料的界面理论 ppt课件
ppt课件
6
3.3.2增强材料的表面处理
1.碳纤维的表面处理
表面处理的作用：使复合材料不仅具有良好的界面粘接力、 层间剪切强度，而且其界面的抗水性、断裂韧性及尺寸稳 定性均有明显的改进。此外，通过碳纤维表面改性处理， 还可制得具有某种特殊功能的复合材料。
1）氧化法
（1）气相法(或干法):以空气、氧气、臭氧等氧化剂，采用 等离子表面氧化或催化氧化法。
基体表面上的官能团与纤维表面上的官能团起化学反应， 因此在基体与纤维间产生化学键的结合，形成界面。如：偶 联剂的应用而得到证实，故也称“偶联”理论。
（2）液相法（或湿法）：有硝酸、次氯酸钠加硫酸、重铬 酸钾加硫酸、高锰酸钾加硝酸钠加硫酸氧化剂及电解氧化 法等。
ppt课件
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2）涂层法
(1)有机聚合物涂层：树脂涂层、接枝涂层、电 沉积与电聚合等。
(2)无机聚合物涂层：经有机聚合物涂层后碳化、 碳氢化合物化学气相沉积、碳化硅或氧化铁涂层、 生长晶须涂层等。
网状结构是指在复合材料组分中，一相是三维连续，另 一相为二维连续的或者两相都是三维连续的。
ppt课件
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2.层状结构
两组分均为二维连续相。所形成的材料在垂直于增强相和 平行于增强相的方向上，其力学等性质是不同的，特别是层 间剪切强度低。
3.单向结构
纤维单向增强及筒状结构的复合材料。
4.分散状结构
（1） 浸润剂会影响复合材料性能（妨碍了纤维与基 体材料的粘接），用前去除浸润剂，
（2）采用偶联剂对纤维表面进行处理。偶联剂的分 子结构中，一般都带有两种性质不同的极性基团， 一种基团与玻璃纤维结合，另一种基团能与基体树 脂结合，从而使纤维和基体这两类性质差异很大的 材料牢固地连接起来。
表面结构PPT课件
详细描述
随着新型表面结构和纳米材料的不断涌现，表面结构在能源 、环境、生物医学等领域的应用前景将更加广阔。未来研究 将更加注重表面结构的调控和优化，以实现更加高效、稳定 和环保的纳米科技应用。
CHAPTER 06
表面结构的模拟与计算
表面结构的分子动力学模拟
分子动力学模拟是一种基于物理的模拟 方法，用于研究表面结构的动态行为和
这些变化会影响表面的物理、化学和 生物学性质，进而影响材料的性能和 应用。
演化过程包括表面形貌的变化、表面 成分的改变、表面粗糙度的增加等。
影响表面结构演化的因素
影响表面结构演化的因素包括环 境因素和人为因素。
环境因素包括温度、湿度、光照 、氧气等，这些因素会影响表面
结构的化学和生物学性质。
人为因素包括加工方法、涂层技 术、表面处理等，这些因素会影
表面结构在材料制备中的作用
控制晶体取向和晶体结构
通过表面结构调控晶体生长过程，实现特定晶体取向和晶体结构 的制备。
优化薄膜制备
通过调整表面结构，提高薄膜的均匀性、致密性和附着力，降低缺 陷和应力。
促进纳米材料合成
利用表面结构调控纳米材料的形貌、尺寸和分布，实现高性能纳米 材料的制备。
表面结构在材料改性中的应用
蒙特卡洛模拟的计算效率较高，适用于研究大规模表面结构和复杂表面 的性质。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
CHAPTER 05
表面结构在纳米科技中的应 用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
表面结构在纳米材料制备中的应用
总结词
表面结构在纳米材料制备中具有重要作用，可以影响材料的物理和化学性质。
详细描述
表面结构决定了纳米材料的形貌、晶体结构和化学稳定性，从而影响其光学、 电学、磁学和催化性能。通过控制表面结构，可以制备出具有特定性能的纳米 材料，如半导体材料、金属氧化物、碳纳米管等。
随着新型表面结构和纳米材料的不断涌现，表面结构在能源 、环境、生物医学等领域的应用前景将更加广阔。未来研究 将更加注重表面结构的调控和优化，以实现更加高效、稳定 和环保的纳米科技应用。
CHAPTER 06
表面结构的模拟与计算
表面结构的分子动力学模拟
分子动力学模拟是一种基于物理的模拟 方法，用于研究表面结构的动态行为和
这些变化会影响表面的物理、化学和 生物学性质，进而影响材料的性能和 应用。
演化过程包括表面形貌的变化、表面 成分的改变、表面粗糙度的增加等。
影响表面结构演化的因素
影响表面结构演化的因素包括环 境因素和人为因素。
环境因素包括温度、湿度、光照 、氧气等，这些因素会影响表面
结构的化学和生物学性质。
人为因素包括加工方法、涂层技 术、表面处理等，这些因素会影
表面结构在材料制备中的作用
控制晶体取向和晶体结构
通过表面结构调控晶体生长过程，实现特定晶体取向和晶体结构 的制备。
优化薄膜制备
通过调整表面结构，提高薄膜的均匀性、致密性和附着力，降低缺 陷和应力。
促进纳米材料合成
利用表面结构调控纳米材料的形貌、尺寸和分布，实现高性能纳米 材料的制备。
表面结构在材料改性中的应用
蒙特卡洛模拟的计算效率较高，适用于研究大规模表面结构和复杂表面 的性质。
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CHAPTER 05
表面结构在纳米科技中的应 用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
表面结构在纳米材料制备中的应用
总结词
表面结构在纳米材料制备中具有重要作用，可以影响材料的物理和化学性质。
详细描述
表面结构决定了纳米材料的形貌、晶体结构和化学稳定性，从而影响其光学、 电学、磁学和催化性能。通过控制表面结构，可以制备出具有特定性能的纳米 材料，如半导体材料、金属氧化物、碳纳米管等。
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故表面张力（表面能）可看作由色散作用成分（ g d） 及偶极作用成分（ g p）组成。即： g ＝ g d ＋ g p
对于非极性液体，其表面张力完全由色散成分组成，即
g ＝ g d，这样可方便的通过上式计算极性液体试样的g
d
液体的表面张力可以直接测定，固体的表面能不能直 接测定。液体的表面张力测定值实际上是液体/气体的
（1）分子间相互作用力的影响：对纯液体或纯固体，表 面张力决定于分子间形成的化学键能的大小，一般化 学键越强，表面张力越大。两种液体间的界面张力， 界于两种液体表面张力之间。γ (金属键)> γ(离子键)> γ(极性共价键)> γ(非极性共价键)
（2）温度的影响 温度升高，表面张力下降。 （3）压力的影响 表面张力一般随压力的增加而下降。因
晶体生长和溶解的动力学和表面能的研究相结合，不仅为界面研 究提供了新的思路和方法，而且也会推动晶体生长和材料科学的 发展。
表面与界面
表面：表面即物理单独存在时的外部区域，处于表面 的物质分子的朝外方向。
界面：界面是两种不相容和不反应的物质相接触时的 交界区，常见界面：气－液、气－固、液－固和固－ 固形式。
2
所以可以采用最小二乘法进行数据的分析计算。
截距A=
g
d S
1 2
，斜率B=
g
p S
1 2
，
即
gS
g
d S
g
p S
A2
B2
材料与生物物质间界面张力的计算 材料与血液、水等物质间界面张力可由下式计算
式中
g sbc
材料和生物物质间界面张力，g
p bc
、g
p s
分别为生
表面能与晶体生长/溶解之间的关系
界面是物质的结晶、溶解等过程的实际发生位点，溶液中晶体生 长和溶解事实上就是一个典型的固体和液体的界面反应过程
在固一液体系中，表面能不仅对于固(胶)体粒子在溶液中的稳定 性，溶液中的分(离)子在固体表面的吸附，而且还对晶体生长的 速度和形状都有着重要的影响和控制作用
为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性 略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增 加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面 张力下降。
表面能的计算
图1 液滴在固体表 面的平衡状态
Θ＝0°完全湿润状态，Θ＝180°完全不湿润状 态。 因Yo为un重g方力程作用：，g S完V 全 g不SL润湿g LV的c情os况 并不存在。
分别把液体的表面张力和接触角的数据代入上式，即
可得两个独立的方程，解此方程组即可得到
g
Sd和
g
p S
。
将式写成Y=A+BX的形式即为
g LV (1 cos ) 2
g
d S
g
d LV
2
g
Spg
p LV
1
g LV 1 cos
1
2
g
d LV
2
g
d S
1
2
g
p S
1 2
g g
p LV d LV
表面与界面常常混淆，实际上，真正在表面是不存在 的。通常所说的表面应该是界面，是指其中一项为气 体。
广义上物质表面处的分子由于受力不平衡产生一种向 内收缩的力或者势能，即表面张力或表面能（液体物 质为表面张力，固体物质为表面能）。
表面能：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表 面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面自由能或表面
界面张力g LV。但g LV＝g L。
液体的表面张力测定方法：最大压力气泡法，毛细管 上升法，挂环法，滴重法，挂片法。
液－固体系的界面张力g SL与液体的表面张力g L及固体 表面张力（表面能） g S之间的关系，按几何平均法则
为
g SL＝ g S＋ g L－（ g L g S）1/2
影响表面张力的因素
在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体表面， 产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个过程表面吉 布斯自由能变化值的负值。
Young方程
Wa g SV g LV g SL
g SV g SL g LV cos
Wa g LV (1 cos )
粘附功又可以用两相中各自的极性分量和色散分量来
表示：Wa
表面能决定材料表面蛋白质的吸附量，吸附的稳定性， 吸附后对血小板粘附的影响，以及吸附后蛋白质的构 型是否发生变化。
表面能与细胞粘附有一定关系
细胞在材料表面附着的过程一般认为首先是血清蛋白 的吸附，然后是细胞在材料表面的接触、附着、伸展。 材料的表面能对细胞附着的早期影响可能与表面蛋白 的吸附有关。 对生物材料表面能与细胞附着的关系进行深入研究有 利于发现细胞在不同生物材料表面附着的机制，从而 有利于生物材料表面的优化设计。
设固-液接触面积为单位面积，在恒温恒压下，润湿过 程引起体系自由能的变化是：
G g SL g SV g LV
g
式中
SL
，g SV ，g LV 分别为单位面积固-液、固-气和液-气的
界面自由能。
粘附功定义:在等温等压条件下，单位面积的液面与固体 表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是液体 能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润 湿固体，液-固结合得越牢。
表面能
主要内容 研究意义 基本概念 接触角测量方法 表面能计算方法
研究意义
表面能与生物材料血液相容性关系 表面能与细胞粘附有一定关系 表面能与晶体生长/溶解之间的关系
表面能与生物材料血液相容性关系
蛋白质的吸附——蛋白质吸附达到某个临界厚度—— 血小板吸附——血栓。而吸附的临界厚度有取决于材 料的表面性质。
能，用符号g 表示，单位为mJ/m2。
表面张力：在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着 一种张力，它垂直与表面的边界，指向液体方向并与 表面相切。把作用于单位边界线上的这种力称为表面
张力，用g 表示，单位为mN/m。
体相内部分子受力对称，表面处受力不平衡。
极性分量和色散分量：
表面张力及界面张力均为物质分子作用力（范德华力） 所致。包括色散作用、偶极及诱导极作用和氢键作用 等。极性物质的分子力主要由色散力和偶极力组成，
＝
2
g
Spg
p LV
＋2
g
d S
g
d LV
式中g
p S
和g
p LV
为
固体和
液体
表
面自
由
能的极
性分
量
，式
中g
d S
和
gd LV
为固体和液体表面自由能的色散部分。
g LV (1 cos ) 2
g
Sdg
d LV
2
g
Spg
p LV
式中
g
d S
和
g
p S
为两个未知数，但只要找到两个已知和
的探测液体，测量此二种液体在固体表面的接触角，
对于非极性液体，其表面张力完全由色散成分组成，即
g ＝ g d，这样可方便的通过上式计算极性液体试样的g
d
液体的表面张力可以直接测定，固体的表面能不能直 接测定。液体的表面张力测定值实际上是液体/气体的
（1）分子间相互作用力的影响：对纯液体或纯固体，表 面张力决定于分子间形成的化学键能的大小，一般化 学键越强，表面张力越大。两种液体间的界面张力， 界于两种液体表面张力之间。γ (金属键)> γ(离子键)> γ(极性共价键)> γ(非极性共价键)
（2）温度的影响 温度升高，表面张力下降。 （3）压力的影响 表面张力一般随压力的增加而下降。因
晶体生长和溶解的动力学和表面能的研究相结合，不仅为界面研 究提供了新的思路和方法，而且也会推动晶体生长和材料科学的 发展。
表面与界面
表面：表面即物理单独存在时的外部区域，处于表面 的物质分子的朝外方向。
界面：界面是两种不相容和不反应的物质相接触时的 交界区，常见界面：气－液、气－固、液－固和固－ 固形式。
2
所以可以采用最小二乘法进行数据的分析计算。
截距A=
g
d S
1 2
，斜率B=
g
p S
1 2
，
即
gS
g
d S
g
p S
A2
B2
材料与生物物质间界面张力的计算 材料与血液、水等物质间界面张力可由下式计算
式中
g sbc
材料和生物物质间界面张力，g
p bc
、g
p s
分别为生
表面能与晶体生长/溶解之间的关系
界面是物质的结晶、溶解等过程的实际发生位点，溶液中晶体生 长和溶解事实上就是一个典型的固体和液体的界面反应过程
在固一液体系中，表面能不仅对于固(胶)体粒子在溶液中的稳定 性，溶液中的分(离)子在固体表面的吸附，而且还对晶体生长的 速度和形状都有着重要的影响和控制作用
为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性 略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增 加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面 张力下降。
表面能的计算
图1 液滴在固体表 面的平衡状态
Θ＝0°完全湿润状态，Θ＝180°完全不湿润状 态。 因Yo为un重g方力程作用：，g S完V 全 g不SL润湿g LV的c情os况 并不存在。
分别把液体的表面张力和接触角的数据代入上式，即
可得两个独立的方程，解此方程组即可得到
g
Sd和
g
p S
。
将式写成Y=A+BX的形式即为
g LV (1 cos ) 2
g
d S
g
d LV
2
g
Spg
p LV
1
g LV 1 cos
1
2
g
d LV
2
g
d S
1
2
g
p S
1 2
g g
p LV d LV
表面与界面常常混淆，实际上，真正在表面是不存在 的。通常所说的表面应该是界面，是指其中一项为气 体。
广义上物质表面处的分子由于受力不平衡产生一种向 内收缩的力或者势能，即表面张力或表面能（液体物 质为表面张力，固体物质为表面能）。
表面能：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表 面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面自由能或表面
界面张力g LV。但g LV＝g L。
液体的表面张力测定方法：最大压力气泡法，毛细管 上升法，挂环法，滴重法，挂片法。
液－固体系的界面张力g SL与液体的表面张力g L及固体 表面张力（表面能） g S之间的关系，按几何平均法则
为
g SL＝ g S＋ g L－（ g L g S）1/2
影响表面张力的因素
在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体表面， 产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个过程表面吉 布斯自由能变化值的负值。
Young方程
Wa g SV g LV g SL
g SV g SL g LV cos
Wa g LV (1 cos )
粘附功又可以用两相中各自的极性分量和色散分量来
表示：Wa
表面能决定材料表面蛋白质的吸附量，吸附的稳定性， 吸附后对血小板粘附的影响，以及吸附后蛋白质的构 型是否发生变化。
表面能与细胞粘附有一定关系
细胞在材料表面附着的过程一般认为首先是血清蛋白 的吸附，然后是细胞在材料表面的接触、附着、伸展。 材料的表面能对细胞附着的早期影响可能与表面蛋白 的吸附有关。 对生物材料表面能与细胞附着的关系进行深入研究有 利于发现细胞在不同生物材料表面附着的机制，从而 有利于生物材料表面的优化设计。
设固-液接触面积为单位面积，在恒温恒压下，润湿过 程引起体系自由能的变化是：
G g SL g SV g LV
g
式中
SL
，g SV ，g LV 分别为单位面积固-液、固-气和液-气的
界面自由能。
粘附功定义:在等温等压条件下，单位面积的液面与固体 表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是液体 能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润 湿固体，液-固结合得越牢。
表面能
主要内容 研究意义 基本概念 接触角测量方法 表面能计算方法
研究意义
表面能与生物材料血液相容性关系 表面能与细胞粘附有一定关系 表面能与晶体生长/溶解之间的关系
表面能与生物材料血液相容性关系
蛋白质的吸附——蛋白质吸附达到某个临界厚度—— 血小板吸附——血栓。而吸附的临界厚度有取决于材 料的表面性质。
能，用符号g 表示，单位为mJ/m2。
表面张力：在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着 一种张力，它垂直与表面的边界，指向液体方向并与 表面相切。把作用于单位边界线上的这种力称为表面
张力，用g 表示，单位为mN/m。
体相内部分子受力对称，表面处受力不平衡。
极性分量和色散分量：
表面张力及界面张力均为物质分子作用力（范德华力） 所致。包括色散作用、偶极及诱导极作用和氢键作用 等。极性物质的分子力主要由色散力和偶极力组成，
＝
2
g
Spg
p LV
＋2
g
d S
g
d LV
式中g
p S
和g
p LV
为
固体和
液体
表
面自
由
能的极
性分
量
，式
中g
d S
和
gd LV
为固体和液体表面自由能的色散部分。
g LV (1 cos ) 2
g
Sdg
d LV
2
g
Spg
p LV
式中
g
d S
和
g
p S
为两个未知数，但只要找到两个已知和
的探测液体，测量此二种液体在固体表面的接触角，