表面與界面物理力學

叢書序前言
第1章 表面和界面物理力學的范式
1.1 零厚度的Gibbs界面和有限擴散層厚度的Cahn-Hilliard界面
1.1.1 Gibbs 的零厚度界面模型
1.1.2 Cahn-Hilliard 有限擴散厚度的界面模型
1.2 納微米表面界面物理力學的范式
參考文獻
第2章 表面熱力學、統(tǒng)計理論和彈道-擴散傳熱模型
2.1 體相和表面相的廣延量和強度量
2.1.1 廣延量和齊次函數(shù)、強度量
2.1.2 Legendre 變換
2.2 體相Gibbs-Duhem方程
2.3 復(fù)相系統(tǒng)的平衡
2.4 表面Gibbs-Duhem關(guān)系式
2.5 Maxwell 關(guān)系式
2.6 Gibbs等摩爾面、張力面和Tolman尺度
2.6.1 Gibbs 分割面
2.6.2 Gibbs 等摩爾面
2.6.3 張力面
2.6.4 Tolman長度
2.7 配分函數(shù)與表面吸附的統(tǒng)計理論
2.7.1 配分函數(shù)
2.7.2 低覆蓋度情況下表面吸附的統(tǒng)計理論
2.8 固-液界面的Kapitza阻抗和Kapitza長度
2.9 微納尺度的“彈道-擴散”傳熱模型
參考文獻
第3章 分子間作用力
3.1 VanderWaals力和Casimir力
3.1.1 VanderWaals力
3.1.2 Derjaguin 近似
3.1.3 Casimir力及“一次美好的散步
3.1.4 VanderWaals力和Casimir力的異同
3.2 雙電層(EDL)和靜電力
3.2.1 平面雙電層
3.2.2 Derjaguin 近似在球面雙電層中的應(yīng)用
3.3 毛細力
3.3.1 幾個有關(guān)毛細力古老且有趣的例子
3.3.2 法向毛細力和橫向毛細力
3.4 排空力
3.4.1 熵力的來源
3.4.2 排空吸引力
3.4.3 排空力在生物中的應(yīng)用
3.4.4 Derjaguin 近似在計算排空力中的應(yīng)用
3.5 溶劑化力、結(jié)構(gòu)力、水合力
3.5.1 溶劑化力
3.5.2 水合力
3.6 疏水作用(力)
3.7 空間排斥力
3.8 分離壓力
3.9 Knudsen 力
3.1 0 討論
參考文獻
第4章 Cauchy-Born準則與Green-Kubo理論
4.1 Cauchy-Born 準則的起源初探
4.2 經(jīng)典Cauchy-Born準則
4.2.1 變形梯度張量與經(jīng)典的Cauchy-Born準則
4.2.2 基于經(jīng)典CBR建立連續(xù)模型
4.3 經(jīng)典Cauchy-Born準則的適用性
4.4 非均勻變形下的高階Cauchy-Born準則
4.4.1 高階Cauchy-Born準則的基本概念
4.4.2 基于高階CBR建立連續(xù)模型
4.5 有限溫度下的Cauchy-Born準則
4.6 單原子膜結(jié)構(gòu)的表面Cauchy-Born準則
4.6.1 指數(shù)式Cauchy-Born準則
4.6.2 基于指數(shù)式Cauchy-Born準則建立連續(xù)本構(gòu)模型
4.6.3 高階Cauchy-Born準則
4.6.4 基于高階Cauchy-Born準則建立超彈性本構(gòu)模型
4.6.5 石墨烯、碳納米管與Cauchy-Born準則
4.7 輸運性質(zhì)的Green-Kubo線性響應(yīng)理論
參考文獻
第5 章與表面問題相關(guān)的特征尺度、時間與無量綱量
5.1 與表面能相關(guān)的幾個特征時間和無量綱數(shù)
5.2 與表面能相關(guān)的幾個特征尺度及相關(guān)無量綱數(shù)
5.2.1 彈性毛細長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方程與Tolman長度
5.2.4 Egelsta.-Widom 尺度
5.2.5 線張力發(fā)生作用的特征尺度
5.2.6 分子特征尺度與前驅(qū)膜的特征尺度
5.2.7 Navier滑移尺度與廣義滑移尺度
5.2.8 Navier滑移尺度與Kapitza長度的類比
5.2.9 Debye屏蔽長度與納米電潤濕
參考文獻
第6 章表面和界面物理力學中的跨尺度模擬方法
6.1 分子動力學與分子力學模擬方法概述
6.1.1 分子動力學理論
6.1.2 平衡系統(tǒng)分子動力學模擬的系綜
6.1.3 MD 的力場
6.1.4 邊界條件
6.1.5 分子動力學的流程
6.1.6 分子力學
6.2 計算量子力學
6.2.1 量子力學的基本理論
6.2.2 密度泛函理論(DFT)
6.3 Car-Parrinello 分子動力學
6.4 QM/MM 雜交方法
6.4 QM/MM 雜交方法的基本概念
6.4 QM/MM 的邊界處理方法
6.4.3 QM/MM雜交方法在DPPC生物膜水合力計算中的應(yīng)用
參考文獻
第7章 表面潤濕與移動接觸線問題中的物理力學
7.1 從Leidenfrost液滴談起
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 粗糙表面的潤濕方程
7.2.3 線張力對表面潤濕方程的修正
7.2.4 曲面上的潤濕方程
7.3 Young-Laplace 方程
7.4 Kelvin 方程
7.5 分離壓力對表面潤濕三大基本方程的修正
7.6 毛細提升和液滴鋪展的動力學方程與標度律
7.6.1 毛細管中液體毛細提升或鋪展的Washburn標度律
7.6.2 潤滑近似和液滴鋪展的動力學方程
7.6.3 一維情況下液滴鋪展的動力學方程的解
7.6.4 液滴自相似鋪展的標度律
7.7 接觸角滯后
7.8 分子動理論(MKT)——移動接觸線問題中的跨尺度理論
7.9 三相接觸線處的水動力模型
7.1 0Huh-Scriven 佯謬
7.1 1討論
參考文獻
第8章 前驅(qū)膜的物理力學性質(zhì)
8.1 有關(guān)前驅(qū)膜的實驗研究
8.2 有關(guān)前驅(qū)膜的理論模型
8.2.1 De Gennes 有關(guān)前驅(qū)膜的理論模型
8.2.2 前驅(qū)膜模型和滑移邊界模型的對比
8.3 有關(guān)前驅(qū)膜的Langevin動力學和MonteCarlo模擬
8.4 有關(guān)前驅(qū)膜的分子動力學模擬
8.5 討論
參考文獻
第9章 電潤濕中的移動接觸線問題
9.1 電潤濕歷史的簡要回顧以及Berge提出的Lippmann-Young方程
9.1.1 Lippmann于1875年有關(guān)電毛細的博士論文
9.1.2 Berge有關(guān)Lippmann-Young方程的提出
9.1.3 粗糙表面的電潤濕方程
9.1.4 電潤濕下的三相接觸點的特點
9.2 電潤濕的基本控制方程
9.2.1 電潤濕中三相接觸點處電場的奇異性分析
9.2.2 自發(fā)電潤濕的控制方程
9.3 接觸模式的電潤濕的實驗和理論分析
9.3.1 接觸式電潤濕的實驗
9.3.2 接觸式電潤濕中電荷量的估算
9.3.3 液滴失穩(wěn)特征時間的理論估算
9.4 絕緣膜擊穿動態(tài)過程的觀測
9.5 電場作用下荷葉上的液滴啟動
9.5.1 實驗裝置和材料制備
9.5.2 通過電勢梯度實現(xiàn)液滴的啟動
9.5.3 結(jié)果分析
9.6 納米電潤濕中的標度律和前驅(qū)膜
9.7 電彈性毛細動力學
9.7.1 彈性毛細
9.7.2 電彈性毛細動力學
9.8 曲面電潤濕
9.9 鋪展系數(shù)的線張力、分離壓力和電場力修正
9.1 0 電潤濕物理力學機制的進一步討論
參考文獻
第10章 內(nèi)角潤濕和電潤濕的移動接觸線問題
10.1 宏觀內(nèi)角潤濕的Taylor猜想和Concus-Finn條件
10.2 納米液滴在內(nèi)角毛細流動的分子動力學模擬
10.3 內(nèi)角潤濕在金屬單原子鏈形成方面的應(yīng)用
10.4 前驅(qū)鏈在親水內(nèi)角的動態(tài)電潤濕
10.5 本章結(jié)束語
參考文獻
第11章 受限液體和納流動中的邊界滑移
11.1 納米流變學——受限液體的若干力學行為
11.1.1 垂直壁面方向受限液體分子呈現(xiàn)分層結(jié)構(gòu),密度呈現(xiàn)振蕩分布
11.1.2 等效剪切黏度呈現(xiàn)數(shù)量級的提高
11.1.3 剪切黏度的流變特性——-剪切致稀
11.1.4 弛豫時間若干個數(shù)量級的提高
11.1.5 擴散,分子的協(xié)同運動
11.1.6 固化與相變
11.1.7 亞連續(xù)性
11.2 原子尺度界面摩擦模型
11.2.1 Tomlinson模型
11.2.2 Frenkel-Kontorova模型與Frenkel-Kontorova-Tomlinson模型
11.2.3 可變密度的Frenkel-Kontorova(vdFK)模型
11.3 納流動中的邊界滑移模型與機制
11.3.1 Navier線性滑移模型
11.3.2 動理滑移模型
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 兩個曲面固壁間液體流動的滑移模型
11.3.6 考慮接觸角的滑移模型
11.3.7 超疏水固壁的滑移模型
11.3.8 Thompson和Troian剪切應(yīng)變率滑移模型
11.3.9 基于分子動理論(MKT)的滑移模型
11.4 水在超長CNT流動實驗和計算
11.4.1 CNT 管徑和手性對毛細流動的影響
11.4.2 水進入CNT所需的臨界壓力
11.4.3 CNT內(nèi)毛細流動的力電耦合的DFT/MD迭代模擬
11.4.4 超長CNT中毛細流動的實驗研究
11.5 受限流體中的對稱性破缺
11.5.1 對稱性破缺
11.5.2 納微受限流動中的對稱性破缺
11.5.3 封閉狹縫內(nèi)受限流體的對稱性破缺
11.6 化學鍵層次對超潤滑機理的理解
參考文獻
第12章 液滴在固體表面蒸發(fā)的物理力學行為
12.1 咖啡環(huán)效應(yīng)：蒸發(fā)與Marangoni對流
12.2 平面和曲面上的二維蒸發(fā)液滴的溫度分布
12.3 液滴蒸發(fā)的兩種模式
12.4 液滴蒸發(fā)中固-氣-液三相接觸線釘扎和去釘扎的物理力學機制
12.5 分離壓力在液滴蒸發(fā)中的作用
12.6 水滴蒸發(fā)的μ-PIV觀測
12.7 水滴在疏水PDMS和Te.on表面的蒸發(fā)
12.8 本章結(jié)束語
參考文獻
第13章 分子馬達和微懸臂梁傳感器中的界面力學
13.1 分子機器中的一些重要力學問題
13.1.1 分子馬達的效率
13.1.2 F0F1-ATPase的化學態(tài)及動力學方程
13.1.3 F1分子馬達低Reynolds數(shù)流體動力學
13.1.4 來自生物系統(tǒng)的摩擦與潤滑的啟示以及分子馬達的組裝
13.2 分子機器固定問題的多尺度模擬
13.2.1 分子馬達固定中的螯合作用
13.2.2 QM/MM 跨尺度模擬
13.2.3 分子馬達旋轉(zhuǎn)的MD模擬
13.3 基于微懸臂梁的微生化傳感器中表面應(yīng)力起源
13.3.1 表面應(yīng)力產(chǎn)生的物理機制
13.3.2 微懸臂梁表面應(yīng)力模型
13.4 本章結(jié)束語
參考文獻
第14章 超靈敏微納傳感機理的表面物理力學基礎(chǔ)
14.1 微納生物傳感器的機理概述
14.2 金屬氧化物半導體氣體傳感器的耗盡層模型
14.3 氧化鋅表面氣體傳感機理的DFT模擬-表面重構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移
14.3.1 研究背景概述
14.3.2 DFT 模擬方法
14.3.3 結(jié)果和討論
14.4 石墨烯的超靈敏探測與改性
14.4.1 引言
14.4.2 計算模型及方法
14.4.3 有毒氣體分子的檢測與計算
14.4.4 有機物分子的吸附檢測與計算
參考文獻
第15章 表面擴散與表面演化動力學
15.1 Herring-Mullins公式和Asaro-Tiller公式
15.1.1 Herring 公式的推導細節(jié)
15.1.2 Mullins 的貢獻
15.1.3 Asaro-Tiller 公式
15.1.4 電場對Asaro-Tiller公式的貢獻
15.2 Gibbs-Thomson 公式
15.3 Shuttleworth-Herring 公式
15.4 表面擴散的Nernst-Einstein公式與表面演化方程
15.5 Nichols和Mullins對無限長圓柱體表面穩(wěn)定性的分析
15.5.1 表面擴散
15.5.2 體內(nèi)部擴散
15.5.3 體外部擴散
15.6 Nichols和Mullins對球體表面穩(wěn)定性的分析
15.6.1 表面擴散
15.6.2 體內(nèi)部擴散
15.6.3 體外部擴散
15.7 表面擴散引起的薄膜生長中的Asaro-Tiller-Grinfeld失穩(wěn)
參考文獻
第16章 表面與界面演化中的相場動力學方法
16.1 Cahn-Hilliard 方程與失穩(wěn)分解
16.1.1 Cahn-Hilliard 方程
16.1.2 機械混合與理想溶液混合的自由能表達式
16.1.3 失穩(wěn)分解、上坡擴散與下坡擴散
16.2 Cahn-Hilliard 方程在彈性體中的應(yīng)用
16.3 Cahn-Hilliard 方程在納米自組裝中的應(yīng)用
16.3.1 相分離、相粗化、相細化
16.3.2 運動學、動力學、能量學分析
16.3.3 相場動力學演化中的特征尺度
16.4 潤濕與電潤濕中的相場動力學
16.5 本章結(jié)束語
參考文獻
附錄A 分子動力學模擬勢函數(shù)
A.1 基本原理
A.2 基本力場
A.2.1 鍵伸縮能
A.2.2 鍵角彎曲項
A.2.3 二面角扭轉(zhuǎn)項
A.2.4 偏離平面振動項
A.2.5 非正常二面角扭轉(zhuǎn)項
A.2.6 庫侖作用項
A.2.7 非鍵結(jié)作用項
A.3 經(jīng)驗參數(shù)化方法
A.3.1 有機化合物適用力場
A.3.2 生物及有機物體系模擬適用力場
A.3.3 嵌入原子勢以及金屬玻璃、鋰-硅合金材料性質(zhì)模擬
A.3.4 多體作用勢
A.3.5 反應(yīng)力場
A.3.6 普遍適用的經(jīng)驗力場
參考文獻
附錄B 水模型
參考文獻
附錄C 固體基底上潤滑近似下液體薄膜運動方程的推導
C.1 一般形式液體薄膜運動方程的推導過程
C.2 一般形式液體薄膜運動方程的幾種特例
C.2.1 僅有表面張力作用,且認為表面張力為常數(shù)
C.2.2 僅考慮表面張力和重力作用
C.2.3 考慮分離壓力和表面張力的共同作用
C.2.4 考慮熱毛細作用,表面張力和重力作用
C.2.5 考慮表面張力,重力,離心力和分離壓力共同作用
C.3 圓柱內(nèi)和圓柱外的液體薄膜運動方程
C.3.1 圓柱內(nèi)(凹面)液體薄膜運動方程
C.3.2 圓柱外(凸面)液體薄膜運動方程
參考文獻
附錄D Young-Laplace方程的求解
D.1 垂直管中液面高度的計算
D.1.1 單個垂直壁面半無限區(qū)域的情況
D.1.2 兩個垂直壁面所夾區(qū)域的情況
D.2 圓柱漂浮在液體表面時, 液面形狀的確定
參考文獻
附錄E 基底上球冠型液滴的幾何關(guān)系
E.1 平面上球冠狀液滴的幾何關(guān)系
E.2 球面(凸、凹)上球冠液滴的幾何關(guān)系
參考文獻
附錄F表面與界面的微分幾何關(guān)系
參考文獻
附錄G 水與表面和界面相關(guān)的一些特性
索引