表面与界面物理力学主要是从“固-气”“固-液”“固-固”等界面的原子、分子结构的微观物理和化学的性质出发，以分子间力为基础，预见其对纳微米结构和系统的力学性能的影响，以及所引起的接触、黏附、界面强度、摩擦润滑等问题。
本书由3篇、16章和7个附录组成。上篇讨论表面与界面物理力学的基础知识。中篇讨论移动接触线问题、分离压力、前驱膜、受限液体与纳流动的界面滑移、内角润湿、液滴蒸发等。下篇讨论表面和界面演化动力学，介绍表面与界面扩散与演化动力学、相场动力学方法在表面与界面物理力学中的应用。
本书的读者对象为应用数学、力学、表面与界面物理、化学、纳微系统、摩擦润滑、材料科学等领域高年级本科生、研究生、教师和科研人员。
样章试读
目录
- 丛书序
前言
上篇 基础理论
第1章 表面和界面物理力学的范式
1.1 零厚度的Gibbs界面和有限扩散层厚度的Cahn-Hilliard界面
1.1.1 Gibbs的零厚度界面模型
1.1.2 Cahn-Hilliard有限扩散厚度的界面模型
1.2 纳微米表面界面物理力学的范式
参考文献
第2章 表面热力学、统计理论和弹道-扩散传热模型
2.1 体相和表面相的广延量和强度量
2.1.1 广延量和齐次函数、强度量
2.1.2 Legendre变换
2.2 体相Gibbs-Duhem方程
2.3 复相系统的平衡
2.4 表面Gibbs-Duhem关系式
2.5 Maxwell关系式
2.6 Gibbs等摩尔面、张力面和Tolman尺度
2.6.1 Gibbs分割面
2.6.2 Gibbs等摩尔面
2.6.3 张力面
2.6.4 Tolman长度
2.7 配分函数与表面吸附的统计理论
2.7.1 配分函数
2.7.2 低覆盖度情况下表面吸附的统计理论
2.8 固-液界面的Kapitza阻抗和Kapitza长度
2.9 微纳尺度的“弹道-扩散” 传热模型
参考文献
第3章 分子间作用力
3.1 Van der Waals力和Casimir力
3.1.1 Van der Waals力
3.1.2 Derjaguin近似
3.1.3 Casimir力及“一次美好的散步”
3.1.4 Van der Waals力和Casimir力的异同
3.2 双电层(EDL)和静电力
3.2.1 平面双电层
3.2.2 Derjaguin近似在球面双电层中的应用
3.3 毛细力
3.3.1 几个有关毛细力古老且有趣的例子
3.3.2 法向毛细力和横向毛细力
3.4 排空力
3.4.1 熵力的来源
3.4.2 排空吸引力
3.4.3 排空力在生物中的应用
3.4.4 Derjaguin近似在计算排空力中的应用
3.5 溶剂化力、结构力、水合力
3.5.1 溶剂化力
3.5.2 水合力
3.6 疏水作用(力)
3.7 空间排斥力
3.8 分离压力
3.9 Knudsen力
3.10 讨论
参考文献
第4章 Cauchy-Born准则与Green-Kubo理论
4.1 Cauchy-Born准则的起源初探
4.2 经典Cauchy-Born准则
4.2.1 变形梯度张量与经典的Cauchy-Born准则
4.2.2 基于经典CBR建立连续模型
4.3 经典Cauchy-Born准则的适用性
4.4 非均匀变形下的高阶Cauchy-Born准则
4.4.1 高阶Cauchy-Born准则的基本概念
4.4.2 基于高阶CBR 建立连续模型
4.5 有限温度下的Cauchy-Born准则
4.6 单原子膜结构的表面Cauchy-Born准则
4.6.1 指数式Cauchy-Born准则
4.6.2 基于指数式Cauchy-Born准则建立连续本构模型
4.6.3 高阶Cauchy-Born准则
4.6.4 基于高阶Cauchy-Born准则建立超弹性本构模型
4.6.5 石墨烯、碳纳米管与Cauchy-Born准则
4.7 输运性质的Green-Kubo线性响应理论
参考文献
第5章 与表面问题相关的特征尺度、时间与无量纲量
5.1 与表面能相关的几个特征时间和无量纲数
5.2 与表面能相关的几个特征尺度及相关无量纲数
5.2.1 弹性毛细长度及基底在液滴作用下的凸起特征高度
5.2.2 疏水特征尺度
5.2.3 GTKB方程与Tolman长度
5.2.4 Egelstaff-Widom尺度
5.2.5 线张力发生作用的特征尺度
5.2.7 Navier滑移尺度与广义滑移尺度
5.2.8 Navier滑移尺度与Kapitza长度的类比
5.2.9 Debye屏蔽长度与纳米电润湿
参考文献
第6章 表面和界面物理力学中的跨尺度模拟方法
6.1 分子动力学与分子力学模拟方法概述
6.1.1 分子动力学理论
6.1.2 平衡系统分子动力学模拟的系综
6.1.3 MD的力场
6.1.4 边界条件
6.1.5 分子动力学的流程
6.1.6 分子力学
6.2 计算量子力学
6.2.1 量子力学的基本理论
6.2.2 密度泛函理论(DFT)
6.3 Car-Parrinello分子动力学
6.4 QM/MM杂交方法
6.4.1 QM/MM杂交方法的基本概念
6.4.2 QM/MM的边界处理方法
6.4.3 QM/MM杂交方法在DPPC生物膜水合力计算中的应用
参考文献
中篇 移动接触线问题
第7章 表面润湿与移动接触线问题中的物理力学
7.1 从Leidenfrost液滴谈起
7.2 Young方程及其基底粗糙度和曲率的修正
7.2.1 光滑、平坦表面的Young方程
7.2.2 粗糙表面的润湿方程
7.2.3 线张力对表面润湿方程的修正
7.2.4 曲面上的润湿方程
7.3 Young-Laplace方程
7.4 Kelvin方程
7.5 分离压力对表面润湿三大基本方程的修正
7.6 毛细提升和液滴铺展的动力学方程与标度律
7.6.1 毛细管中液体毛细提升或铺展的Washburn标度律
7.6.2 润滑近似和液滴铺展的动力学方程
7.6.3 一维情况下液滴铺展的动力学方程的解
7.6.4 液滴自相似铺展的标度律
7.7 接触角滞后
7.8 分子动理论(MKT)——移动接触线问题中的跨尺度理论
7.9 三相接触线处的水动力模型
7.10 Huh-Scriven佯谬
7.11 讨论
参考文献
第8章 前驱膜的物理力学性质
8.1 有关前驱膜的实验研究
8.2 有关前驱膜的理论模型
8.2.1 De Gennes有关前驱膜的理论模型
8.2.2 前驱膜模型和滑移边界模型的对比
8.3 有关前驱膜的Langevin动力学和Monte Carlo模拟
8.4 有关前驱膜的分子动力学模拟
8.5 讨论
参考文献
第9章 电润湿中的移动接触线问题
9.1 电润湿历史的简要回顾以及Berge提出的Lippmann-Young方程
9.1.1 Lippmann于1875年有关电毛细的博士论文
9.1.2 Berge有关Lippmann-Young方程的提出
9.1.3 粗糙表面的电润湿方程
9.1.4 电润湿下的三相接触点的特点
9.2 电润湿的基本控制方程
9.2.1 电润湿中三相接触点处电场的奇异性分析
9.2.2 自发电润湿的控制方程
9.3 接触模式的电润湿的实验和理论分析
9.3.1 接触式电润湿的实验
9.3.2 接触式电润湿中电荷量的估算
9.3.3 液滴失稳特征时间的理论估算
9.4 绝缘膜击穿动态过程的观测
9.5 电场作用下荷叶上的液滴启动
9.5.1 实验装置和材料制备
9.5.2 通过电势梯度实现液滴的启动
9.5.3 结果分析
9.6 纳米电润湿中的标度律和前驱膜
9.7 电弹性毛细动力学
9.7.1 弹性毛细
9.7.2 电弹性毛细动力学
9.8 曲面电润湿
9.9 铺展系数的线张力、分离压力和电场力修正
9.10 电润湿物理力学机制的进一步讨论
参考文献
第10章 内角润湿和电润湿的移动接触线问题
10.1 宏观内角润湿的Taylor猜想和Concus-Finn条件
10.2 纳米液滴在内角毛细流动的分子动力学模拟
10.3 内角润湿在金属单原子链形成方面的应用
10.4 前驱链在亲水内角的动态电润湿
10.5 本章结束语
参考文献
第11章 受限液体和纳流动中的边界滑移
11.1 纳米流变学——受限液体的若干力学行为
11.1.1 垂直壁面方向受限液体分子呈现分层结构,密度呈现振荡分布
11.1.2 等效剪切黏度呈现数量级的提高
11.1.3 剪切黏度的流变特性——剪切致稀
11.1.4 弛豫时间若干个数量级的提高
11.1.5 扩散,分子的协同运动
11.1.6 固化与相变
11.1.7 亚连续性
11.2 原子尺度界面摩擦模型
11.2.1 Tomlinson模型
11.2.2 Frenkel-Kontorova模型与Frenkel-Kontorova-Tomlinson模型
11.2.3 可变密度的Frenkel-Kontorova(vdFK)模型
11.3 纳流动中的边界滑移模型与机制
11.3.1 Navier线性滑移模型
11.3.2 动理滑移模型
11.3.3 VDFK滑移模型
11.3.4 疏水固壁的黏度滑移模型
11.3.5 两个曲面固壁间液体流动的滑移模型
11.3.6 考虑接触角的滑移模型
11.3.7 超疏水固壁的滑移模型
11.3.8 Thompson和Troian剪切应变率滑移模型
11.3.9 基于分子动理论(MKT)的滑移模型
11.4 水在超长CNT流动实验和计算
11.4.1 CNT管径和手性对毛细流动的影响
11.4.2 水进入CNT所需的临界压力
11.4.3 CNT内毛细流动的力电耦合的DFT/MD迭代模拟
11.4.4 超长CNT中毛细流动的实验研究
11.5 受限流体中的对称性破缺
11.5.1 对称性破缺
11.5.2 纳微受限流动中的对称性破缺
11.5.3 封闭狭缝内受限流体的对称性破缺
11.6 化学键层次对超润滑机理的理解
参考文献
第12章 液滴在固体表面蒸发的物理力学行为
12.1 咖啡环效应:蒸发与Marangoni对流
12.2 平面和曲面上的二维蒸发液滴的温度分布
12.3 液滴蒸发的两种模式
12.4 液滴蒸发中固-气-液三相接触线钉扎和去钉扎的物理力学机制
12.5 分离压力在液滴蒸发中的作用
12.6 水滴蒸发的1-PIV观测
12.7 水滴在疏水PDMS和Te*on表面的蒸发
12.8 本章结束语
参考文献
下篇 表面和界面演化动力学
第13章 分子马达和微悬臂梁传感器中的界面力学
13.1 分子机器中的一些重要力学问题
13.1.1 分子马达的效率
13.1.2 F0F1-ATPase的化学态及动力学方程
13.1.3 F1分子马达低Reynolds数流体动力学
13.1.4 来自生物系统的摩擦与润滑的启示以及分子马达的组装
13.2 分子机器固定问题的多尺度模拟
13.2.1 分子马达固定中的螯合作用
13.2.2 QM/MM跨尺度模拟
13.2.3 分子马达旋转的MD模拟
13.3 基于微悬臂梁的微生化传感器中表面应力起源
13.3.1 表面应力产生的物理机制
13.3.2 微悬臂梁表面应力模型
13.4 本章结束语
参考文献
第14章 超灵敏微纳传感机理的表面物理力学基础
14.1 微纳生物传感器的机理概述
14.2 金属氧化物半导体气体传感器的耗尽层模型
14.3 氧化锌表面气体传感机理的DFT模拟-表面重构和电荷转移
14.3.1 研究背景概述
14.3.2 DFT模拟方法
14.3.3 结果和讨论
14.4 石墨烯的超灵敏探测与改性
14.4.1 引言
14.4.2 计算模型及方法
14.4.3 有毒气体分子的检测与计算
14.4.4 有机物分子的吸附检测与计算
参考文献
第15章 表面扩散与表面演化动力学
15.1 Herring-Mullins公式和Asaro-Tiller公式
15.1.1 Herring公式的推导细节
15.1.2 Mullins的贡献
15.1.3 Asaro-Tiller公式
15.1.4 电场对Asaro-Tiller公式的贡献
15.2 Gibbs-Thomson公式
15.3 Shuttleworth-Herring公式
15.4 表面扩散的Nernst-Einstein公式与表面演化方程
15.5 Nichols 和Mullins 对无限长圆柱体表面稳定性的分析
15.5.1 表面扩散
15.5.2 体内部扩散
15.5.3 体外部扩散
15.6 Nichols和Mullins对球体表面稳定性的分析
15.6.1 表面扩散
15.6.2 体内部扩散
15.6.3 体外部扩散
15.7 表面扩散引起的薄膜生长中的Asaro-Tiller-Grinfeld失稳
参考文献
第16章 表面与界面演化中的相场动力学方法
16.1 Cahn-Hilliard方程与失稳分解
16.1.1 Cahn-Hilliard方程
16.1.2 机械混合与理想溶液混合的自由能表达式
16.1.3 失稳分解、上坡扩散与下坡扩散
16.2 Cahn-Hilliard方程在弹性体中的应用
16.3 Cahn-Hilliard方程在纳米自组装中的应用
16.3.1 相分离、相粗化、相细化
16.3.2 运动学、动力学、能量学分析
16.3.3 相场动力学演化中的特征尺度
16.4 润湿与电润湿中的相场动力学
16.5 本章结束语
参考文献
附录
附录A 分子动力学模拟势函数
A.1 基本原理
A.2 基本力场
A.2.1 键伸缩能
A.2.2 键角弯曲项
A.2.3 二面角扭转项
A.2.4 偏离平面振动项
A.2.5 非正常二面角扭转项
A.2.6 库仑作用项
A.2.7 非键结作用项
A.3 经验参数化方法
A.3.1 有机化合物适用力场
A.3.2 生物及有机物体系模拟适用力场
A.3.3 嵌入原子势以及金属玻璃、锂-硅合金材料性质模拟
A.3.4 多体作用势
A.3.5 反应力场
A.3.6 普遍适用的经验力场
参考文献
附录B 水模型
参考文献
附录C 固体基底上润滑近似下液体薄膜运动方程的推导
C.1 一般形式液体薄膜运动方程的推导过程
C.2 一般形式液体薄膜运动方程的几种特例
C.2.1 仅有表面张力作用,且认为表面张力为常数
C.2.2 仅考虑表面张力和重力作用
C.2.3 考虑分离压力和表面张力的共同作用
C.2.4 考虑热毛细作用,表面张力和重力作用
C.2.5 考虑表面张力,重力,离心力和分离压力共同作用
C.3 圆柱内和圆柱外的液体薄膜运动方程
C.3.1 圆柱内(凹面)液体薄膜运动方程
C.3.2 圆柱外(凸面)液体薄膜运动方程
参考文献
附录D Young-Laplace方程的求解
D.1 垂直管中液面高度的计算
D.1.1 单个垂直壁面半无限区域的情况
D.1.2 两个垂直壁面所夹区域的情况
D.2 圆柱漂浮在液体表面时,液面形状的确定
参考文献
附录E 基底上球冠型液滴的几何关系
E.1 平面上球冠状液滴的几何关系
E.2 球面(凸、凹)上球冠液滴的几何关系
参考文献
附录F 表面与界面的微分几何关系
参考文献
附录G 水与表面和界面相关的一些特性
索引
京公网安备 11010102004214号