表面能

表面能，也称为界面能，是材料的基本属性，描述了形成或维持物质两相之间的表面或界面所需的能量。它衡量了材料表面原子或分子与周围介质（无论是气体、液体还是固体）之间吸引力的强度。

表面能的概念与材料科学、化学、物理和工程等广泛领域相关。它对于理解材料在各种应用中的行为至关重要，例如粘附、润湿和表面张力，以及对生物系统（例如细胞膜和蛋白质）的研究。

表面能定义为物质两相之间表面或界面的单位面积多余能量。换句话说，它是将材料表面积增加一定量所需的能量。这个定义意味着材料的表面能总是大于体能，因为新表面的产生引入了表面原子或分子与周围介质之间的额外相互作用。

表面能的单位

表面能的单位通常表示为每单位面积的能量，例如焦耳每平方米 (J/m²) 或尔格每平方厘米 (erg/cm²)。这两个单位都代表了形成或维持物质两相之间表面或界面所需的能量。

焦耳每平方米是表面能的国际单位制单位，定义为形成一平方米面积表面所需的能量。该单位常用于科学和工程应用。例如，可以使用接触角测量或表面张力测量等技术以J/m²为单位测量材料的表面能。

尔格每平方厘米是另一个常用于表示表面能的单位。它比J/m²小，常用于物理和化学领域。一个尔格相当于10^-7焦耳，因此以尔格每平方厘米表示的表面能通常比以J/m²表示的相同能量的值小。

在某些情况下，也可以使用其他单位来表示表面能，例如电子伏特每平方埃 (eV/Ų) 或卡路里每平方厘米 (cal/cm²)。这些单位不太常见，通常用于专业研究领域。

无论使用何种单位，材料的表面能总是表示为每单位面积的能量。这是因为表面或界面的形成或维持涉及能量从材料到材料的转移，并且所涉及的能量量与表面或界面的面积成比例。因此，表面能的单位是测量和比较不同材料表面能的重要组成部分。

影响表面能的因素

表面能是材料的基本属性，受多种因素影响。了解这些因素对于控制材料在各种应用（例如粘附、润湿和表面张力）中的行为至关重要。

1. 化学成分：材料的化学成分在决定其表面能方面起着重要作用。具有强分子间力（例如极性或氢键材料）的材料往往比具有弱力（例如非极性材料）的材料具有更高的表面能。这是因为表面分子与周围介质之间的吸引力更强，导致更高的表面能。例如，水由于其极性性质和强氢键而具有高表面能。
2. 晶体结构：材料的晶体结构也会影响其表面能。具有高表面积与体积比的晶体材料（例如纳米颗粒）由于存在未饱和的表面键而比块状材料具有更高的表面能。晶体的表面能也可能因晶面相对于晶格的取向而异。例如，一些晶面由于表面原子的排列而可能具有比其他晶面低的表面能。
3. 表面粗糙度：材料表面的粗糙度会影响其表面能。粗糙表面比光滑表面具有更大的单位体积表面积，导致更高的表面能。这是因为产生新表面积所需的能量与产生的表面积成比例。粗糙表面也倾向于具有更多的未饱和表面键，这可以增加表面能。然而，表面粗糙度也会影响材料的润湿性，通常光滑表面更易润湿。
4. 温度：温度可以通过改变表面分子间力来影响材料的表面能。例如，升高温度可以增加表面分子的迁移率，导致表面能降低。这种效应对于分子间力较弱的材料更为明显。此外，温度会影响分子在表面的吸附，这也会改变表面能。
5. 表面污染：表面污染会显着影响材料的表面能。异物分子在表面的吸附可以改变表面化学性质并导致表面能的变化。例如，暴露在空气中会导致水分子吸附到材料表面，从而导致表面能增加。表面污染还会影响材料的润湿性和粘附性能。
6. 表面处理：等离子处理等表面处理技术可以改变材料的表面能。等离子处理可以在材料表面引入官能团，导致表面能增加。这种效应对于聚合物尤其重要，因为聚合物通常由于其非极性性质而具有低表面能。其他表面处理技术，例如化学蚀刻或涂层沉积，也可以改变材料的表面能。

表面能的计算

表面能是描述创建或维持表面所需能量的物理量。它也称为界面能，因为它适用于两相或材料之间的界面。表面能是材料科学和工程中的一个重要概念，因为它在决定材料的性质和行为方面起着关键作用。

表面能的计算涉及确定创建或维持表面所需的能量。这可以通过几种不同的方法完成，包括理论计算、实验测量和经验模型。表面能的理论计算基于物理和化学的基本原理。计算表面能最广泛使用的理论模型之一是杨氏方程，它将液滴在固体表面的接触角与固体的表面能相关联。杨氏方程由以下公式给出：

cos(theta) = (gamma_sv - gamma_sl) / gamma_lv

其中theta是接触角，gamma_sv是固-气界面的表面能，gamma_sl是固-液界面的表面能，gamma_lv是液-气界面的表面能。通过测量液滴在固体表面的接触角并已知液体和固体的表面能，可以使用杨氏方程计算固体的表面能。

表面能的实验测量可以使用各种技术完成，包括接触角测量、表面张力测量和原子力显微镜。接触角测量涉及测量液滴与固体表面形成的角。接触角与固体的表面能通过杨氏方程相关联。表面张力测量涉及测量将液体表面拉开所需的力，表面能通过以下方程从表面张力计算：

gamma = F / (2L)

其中gamma是表面能，F是将表面拉开所需的力，L是被拉开的表面长度。原子力显微镜可用于直接测量在材料表面破坏分子键所需的力，从而直接测量表面能。

表面能的经验模型基于实验数据，并提供了一种无需详细测量或理论计算即可估算表面能的方法。最广泛使用的经验模型之一是Owens-Wendt模型，该模型基于材料的表面能与其极性分散分量相关的思想。Owens-Wendt模型由以下公式给出：

gamma = gamma_d + gamma_p

其中gamma_d是表面能的分散分量，与分子之间的非极性相互作用有关，gamma_p是表面能的极性分量，与分子之间的极性相互作用有关。极性和分散分量可以根据各种液体的表面张力进行估算，并且可以使用Owens-Wendt方程计算材料的表面能。