生物材料学-第十章 生物材料前沿专题
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则晶面的排列形式为： ABCABCABC
如果在晶体生长过程中，原来的Ａ晶面丢失，于是晶
面的排列形式变成： ABCABCBCABC
加 的B晶面便成为错位的面缺陷。
如从某一晶面开始，晶体的两部分发生滑移，比如从某C 晶面以后整体发生了滑移，B变成A，则晶面的排列形式变成：
ABCABCBACBAC
点缺陷的类型
1) 空位 在晶格结点位置应有原子的 地方空缺，这种缺陷称为“空位”。
2) 间隙原子 在晶格非结点位置，往 往是晶格的间隙，出现了多余的原 子。它们可能是同类原子，也可能 是异类原子。
3) 异类原子 在一种类型的原子组成 的晶格中，不同种类的原子替换原 有的原子占有其应有的位置。
线缺陷的类型
晶界：晶粒与晶粒之间的 分界面叫“晶粒间界”， 或简称“晶界”。为了适 应两晶粒间不同晶格位向 的过渡，在晶界处的原子 排列总是不规则的。
三、晶体中的缺陷概论
晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象 晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现 周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排 列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺 陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体 中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相 关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来 巨大的影响。
界面特性
1. 界面是一个物理区域（ 厚约几个分子, 10 nm），并非几何平面； 界面是由一相过渡到另一相的过渡区 域；界面也称作界面相、界面区、界 面层； 相应地，本体相为与界面相相邻的两 均匀相。
2. 界面层分子与内部 (本体相) 分子性 质不同，两者所处环境不同。
内部分子：受邻近各方向的力彼此 抵消；
生物材料学
第十章 生物材料前沿专题
生物材料前沿
生物材料表面 生物材料界面 生物传感器与生物芯片 仿生智能界面材料
10-1 生物材料表面
本体材料 本体特性
材料表面
材料的实际晶体结构
一、单晶体
单晶
所谓单晶(monocrystal, monocrystalline, single crystal)，即结 晶体内部的微粒在三维空间呈有规律 地、周期性地排列，或者说晶体的整 体在三维方向上由同一空间格子构成， 整个晶体中质点在空间的排列为长程 有序。单晶整个晶格是连续的，具有 重要的工业应用。由于熵效应导致了 固体微观结构的不理想，例如杂质， 不均匀应变和晶体缺陷，有一定大小 的理想单晶在自然界中是极为罕见的， 而且也很难在实验室中生产。另一方 面，在自然界中，不理想的单晶可以 非常巨大，例如已知一些矿物，如绿 宝石，石膏，长石形成的晶体可达数 米。
二、多晶体结构
多晶体:
实际应用的工程材料 中，那怕是一块尺寸很小 材料，绝大多数包含着许 许多多的小晶体，每个小 晶体的内部，晶格位向是 均匀一致的，而各个小晶 体之间，彼此的位向却不 相同。称这种由多个小晶 体组成的晶体结构称之为 “多晶体”。
晶粒：多晶体材料中每个 小晶体的外形多为不规则 的颗粒状，通常把它们叫 做“晶粒”。
(a) (b)
刃型位错
螺型位错
面缺陷的类型
1.晶粒间界 晶粒之间的交界称为晶粒间界源自文库晶粒间界内原子的排列是 无规则的。因此这种边界是面缺陷。晶粒间界内原子排列的结 构比较疏松，原子比较容易沿晶粒间界扩散。 2.堆垛间界 我们知道金属晶体常采用立方密积的结构形式，而立方密 积是原子球以三层为一组，如果把这样的一组三层记为 ABC，
晶体缺陷按范围分类：
1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原 子尺寸大小的晶体缺陷。
2. 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的 位错（Dislocation）。
3. 面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。
刃型位错 螺旋位错
1.刃型位错
G H
A A F B b B E
刃型位错
设想晶体的上部沿ABEF平面向右推移， AB 原来与AB
重合，经过这样的推压后，相对于AB滑移一个原子间距b，EF 是已滑移区与未滑移区的交界线，称为位错线。
刃型位错的位错线与滑移方向垂直。
G H
A A F B b B E
(a)
加 的C面成为错位的面缺陷。
这一类整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛缺陷。
材料的表面
表面是指固体表层一个或数个原子层的区域。 由于表面粒子（分子或原子）没有邻居粒子， 使其物理性和化学性与固体内部明显不同。
表面自由能
材料表面原子所键合的最近邻原子的数目未能 达到其理论最大原子数，因此表面能量高于晶 体内部，这部分增加的能量称作表面自由能 （surface free energy）或表面张力（surface tension），用单位面积的能量来表示。
界面分子：受不同的两相中的物质 分子的作用。
2.螺旋位错
如图(a)设想把晶体沿ABCDDAA
平面分为上、下两部分，将晶体的上、 下做一个位移，ABCD为已滑移区， AD为滑移区与未滑移区的分界线， 称为位错线。
螺旋位错的位错线与滑移方向平行。
(b)图中的B点是螺旋位错线(上下方 向)的露出点。晶体绕该点右旋一周，原 子平面上升一个台阶(即一个原子间距)， 围绕螺旋位错线的原子面是螺旋面。
10-2 生物材料界面
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
严格讲表面应是液体或固体与其饱和蒸气之间 的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面 称为液体或固体的表面。
常见的界面有：气-液(g-l)界面,气-固(g-s)界面, 液-液(l-l)界面,液-固(l-s)界面,固-固(s-s)界面。
H
B B'
E
C
D
(b)
(b)图是 (a)图在晶体中垂直于EF方向的一个原子平面的情
况。BE线以上原子向右推移一个原子间距，然后上下原子对
齐，在EH处不能对齐，多了一排原子。
刃型位错的另一个特征是位错线EF上带有一个多余的半 平面，即 (a)图中的EFGH平面，该面在(b)图中只能看到EH这 条棱边。
如果在晶体生长过程中，原来的Ａ晶面丢失，于是晶
面的排列形式变成： ABCABCBCABC
加 的B晶面便成为错位的面缺陷。
如从某一晶面开始，晶体的两部分发生滑移，比如从某C 晶面以后整体发生了滑移，B变成A，则晶面的排列形式变成：
ABCABCBACBAC
点缺陷的类型
1) 空位 在晶格结点位置应有原子的 地方空缺，这种缺陷称为“空位”。
2) 间隙原子 在晶格非结点位置，往 往是晶格的间隙，出现了多余的原 子。它们可能是同类原子，也可能 是异类原子。
3) 异类原子 在一种类型的原子组成 的晶格中，不同种类的原子替换原 有的原子占有其应有的位置。
线缺陷的类型
晶界：晶粒与晶粒之间的 分界面叫“晶粒间界”， 或简称“晶界”。为了适 应两晶粒间不同晶格位向 的过渡，在晶界处的原子 排列总是不规则的。
三、晶体中的缺陷概论
晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象 晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现 周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排 列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺 陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体 中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相 关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来 巨大的影响。
界面特性
1. 界面是一个物理区域（ 厚约几个分子, 10 nm），并非几何平面； 界面是由一相过渡到另一相的过渡区 域；界面也称作界面相、界面区、界 面层； 相应地，本体相为与界面相相邻的两 均匀相。
2. 界面层分子与内部 (本体相) 分子性 质不同，两者所处环境不同。
内部分子：受邻近各方向的力彼此 抵消；
生物材料学
第十章 生物材料前沿专题
生物材料前沿
生物材料表面 生物材料界面 生物传感器与生物芯片 仿生智能界面材料
10-1 生物材料表面
本体材料 本体特性
材料表面
材料的实际晶体结构
一、单晶体
单晶
所谓单晶(monocrystal, monocrystalline, single crystal)，即结 晶体内部的微粒在三维空间呈有规律 地、周期性地排列，或者说晶体的整 体在三维方向上由同一空间格子构成， 整个晶体中质点在空间的排列为长程 有序。单晶整个晶格是连续的，具有 重要的工业应用。由于熵效应导致了 固体微观结构的不理想，例如杂质， 不均匀应变和晶体缺陷，有一定大小 的理想单晶在自然界中是极为罕见的， 而且也很难在实验室中生产。另一方 面，在自然界中，不理想的单晶可以 非常巨大，例如已知一些矿物，如绿 宝石，石膏，长石形成的晶体可达数 米。
二、多晶体结构
多晶体:
实际应用的工程材料 中，那怕是一块尺寸很小 材料，绝大多数包含着许 许多多的小晶体，每个小 晶体的内部，晶格位向是 均匀一致的，而各个小晶 体之间，彼此的位向却不 相同。称这种由多个小晶 体组成的晶体结构称之为 “多晶体”。
晶粒：多晶体材料中每个 小晶体的外形多为不规则 的颗粒状，通常把它们叫 做“晶粒”。
(a) (b)
刃型位错
螺型位错
面缺陷的类型
1.晶粒间界 晶粒之间的交界称为晶粒间界源自文库晶粒间界内原子的排列是 无规则的。因此这种边界是面缺陷。晶粒间界内原子排列的结 构比较疏松，原子比较容易沿晶粒间界扩散。 2.堆垛间界 我们知道金属晶体常采用立方密积的结构形式，而立方密 积是原子球以三层为一组，如果把这样的一组三层记为 ABC，
晶体缺陷按范围分类：
1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原 子尺寸大小的晶体缺陷。
2. 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的 位错（Dislocation）。
3. 面缺陷 在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。
刃型位错 螺旋位错
1.刃型位错
G H
A A F B b B E
刃型位错
设想晶体的上部沿ABEF平面向右推移， AB 原来与AB
重合，经过这样的推压后，相对于AB滑移一个原子间距b，EF 是已滑移区与未滑移区的交界线，称为位错线。
刃型位错的位错线与滑移方向垂直。
G H
A A F B b B E
(a)
加 的C面成为错位的面缺陷。
这一类整个晶面发生错位的缺陷称为堆垛缺陷。
材料的表面
表面是指固体表层一个或数个原子层的区域。 由于表面粒子（分子或原子）没有邻居粒子， 使其物理性和化学性与固体内部明显不同。
表面自由能
材料表面原子所键合的最近邻原子的数目未能 达到其理论最大原子数，因此表面能量高于晶 体内部，这部分增加的能量称作表面自由能 （surface free energy）或表面张力（surface tension），用单位面积的能量来表示。
界面分子：受不同的两相中的物质 分子的作用。
2.螺旋位错
如图(a)设想把晶体沿ABCDDAA
平面分为上、下两部分，将晶体的上、 下做一个位移，ABCD为已滑移区， AD为滑移区与未滑移区的分界线， 称为位错线。
螺旋位错的位错线与滑移方向平行。
(b)图中的B点是螺旋位错线(上下方 向)的露出点。晶体绕该点右旋一周，原 子平面上升一个台阶(即一个原子间距)， 围绕螺旋位错线的原子面是螺旋面。
10-2 生物材料界面
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区， 若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
严格讲表面应是液体或固体与其饱和蒸气之间 的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面 称为液体或固体的表面。
常见的界面有：气-液(g-l)界面,气-固(g-s)界面, 液-液(l-l)界面,液-固(l-s)界面,固-固(s-s)界面。
H
B B'
E
C
D
(b)
(b)图是 (a)图在晶体中垂直于EF方向的一个原子平面的情
况。BE线以上原子向右推移一个原子间距，然后上下原子对
齐，在EH处不能对齐，多了一排原子。
刃型位错的另一个特征是位错线EF上带有一个多余的半 平面，即 (a)图中的EFGH平面，该面在(b)图中只能看到EH这 条棱边。