表面能

1. 表面能是描述界面现象的核心物理量，定义为在恒温恒压条件下增加单位表面积时体系吉布斯自由能的增量，单位为J/m²。其微观本质源于表面分子与体相分子所处环境的差异：体相分子受到周围分子的对称作用力而能量最低，表面分子因缺失相邻分子产生净向内吸引力，形成更高能态。

2. 以液体-气体界面为例：当液体内部分子迁移至表面时，需克服内部分子间作用力做功，这部分能量转化为表面分子的势能。对于水（20℃），表面能约0.072 J/m²，意味着形成1cm²的新表面需要7.2×10⁻⁷J的能量。表面能数值与物质本性直接相关，金属（如铁液态表面能1.8 J/m²）因其强金属键通常高于分子液体。

3. 表面能可通过杨氏方程与接触角关联：γ_SV = γ_SL + γ_LV·cosθ，其中θ为液体在固体表面的接触角。当θ<90°时固体表面能较高（亲水性），θ>90°时表面能较低（疏水性）。实际测量常采用Owens-Wendt二液法，通过测试两种探针液体（如水-二碘甲烷）的接触角计算固体表面能的分量。

4. 表面能驱动多种界面现象：包括表面吸附（物质在界面富集以降低表面能）、毛细现象（液体在细管中上升/下降高度h=2γcosθ/(ρgr)），以及晶体生长习性（表面能各向异性导致晶体特定晶面优先生长）。在材料科学中，通过等离子处理（引入极性基团）或自组装单分子膜（如硅烷化）可调控材料表面能。

5. 纳米材料的表面效应显著：当颗粒尺寸降至10nm时，表面原子占比可达20%，表面能成为主导因素。这导致纳米颗粒熔点降低（如金纳米颗粒熔点可降至300℃），并增强催化活性。在烧结过程中，表面能驱动物质向颈部区域扩散，是粉末冶金和陶瓷制备的关键机理。