表面與界面物理力學(xué)

叢書(shū)序前言
第1章 表面和界面物理力學(xué)的范式
1.1 零厚度的Gibbs界面和有限擴(kuò)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(kuò)散厚度的界面模型
1.2 納微米表面界面物理力學(xué)的范式
參考文獻(xiàn)
第2章 表面熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)理論和彈道-擴(kuò)散傳熱模型
2.1 體相和表面相的廣延量和強(qiáng)度量
2.1.1 廣延量和齊次函數(shù)、強(qiáng)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(zhǎng)度
2.7 配分函數(shù)與表面吸附的統(tǒng)計(jì)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(jì)理論
2.8 固-液界面的Kapitza阻抗和Kapitza長(zhǎng)度
2.9 微納尺度的“彈道-擴(kuò)散”傳熱模型
參考文獻(xiàn)
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(xì)力
3.3.1 幾個(gè)有關(guān)毛細(xì)力古老且有趣的例子
3.3.2 法向毛細(xì)力和橫向毛細(xì)力
3.4 排空力
3.4.1 熵力的來(lái)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(jì)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(xiàn)
第4章 Cauchy-Born準(zhǔn)則與Green-Kubo理論
4.1 Cauchy-Born 準(zhǔn)則的起源初探
4.2 經(jīng)典Cauchy-Born準(zhǔn)則
4.2.1 變形梯度張量與經(jīng)典的Cauchy-Born準(zhǔn)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(zhǔn)則的適用性
4.4 非均勻變形下的高階Cauchy-Born準(zhǔn)則
4.4.1 高階Cauchy-Born準(zhǔn)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(zhǔn)則
4.6 單原子膜結(jié)構(gòu)的表面Cauchy-Born準(zhǔn)則
4.6.1 指數(shù)式Cauchy-Born準(zhǔn)則
4.6.2 基于指數(shù)式Cauchy-Born準(zhǔn)則建立連續(xù)本構(gòu)模型
4.6.3 高階Cauchy-Born準(zhǔn)則
4.6.4 基于高階Cauchy-Born準(zhǔn)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(zhǔn)則
4.7 輸運(yùn)性質(zhì)的Green-Kubo線(xiàn)性響應(yīng)理論
參考文獻(xiàn)
第5 章與表面問(wèn)題相關(guān)的特征尺度、時(shí)間與無(wú)量綱量
5.1 與表面能相關(guān)的幾個(gè)特征時(shí)間和無(wú)量綱數(shù)
5.2 與表面能相關(guān)的幾個(gè)特征尺度及相關(guān)無(wú)量綱數(shù)
5.2.1 彈性毛細(xì)長(zhǎng)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(zhǎng)度
5.2.4 Egelsta.-Widom 尺度
5.2.5 線(xiàn)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(zhǎng)度的類(lèi)比
5.2.9 Debye屏蔽長(zhǎng)度與納米電潤(rùn)濕
參考文獻(xiàn)
第6 章表面和界面物理力學(xué)中的跨尺度模擬方法
6.1 分子動(dòng)力學(xué)與分子力學(xué)模擬方法概述
6.1.1 分子動(dòng)力學(xué)理論
6.1.2 平衡系統(tǒng)分子動(dòng)力學(xué)模擬的系綜
6.1.3 MD 的力場(chǎng)
6.1.4 邊界條件
6.1.5 分子動(dòng)力學(xué)的流程
6.1.6 分子力學(xué)
6.2 計(jì)算量子力學(xué)
6.2.1 量子力學(xué)的基本理論
6.2.2 密度泛函理論(DFT)
6.3 Car-Parrinello 分子動(dòng)力學(xué)
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(jì)算中的應(yīng)用
參考文獻(xiàn)
第7章 表面潤(rùn)濕與移動(dòng)接觸線(xiàn)問(wèn)題中的物理力學(xué)
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(rùn)濕方程
7.2.3 線(xiàn)張力對(duì)表面潤(rùn)濕方程的修正
7.2.4 曲面上的潤(rùn)濕方程
7.3 Young-Laplace 方程
7.4 Kelvin 方程
7.5 分離壓力對(duì)表面潤(rùn)濕三大基本方程的修正
7.6 毛細(xì)提升和液滴鋪展的動(dòng)力學(xué)方程與標(biāo)度律
7.6.1 毛細(xì)管中液體毛細(xì)提升或鋪展的Washburn標(biāo)度律
7.6.2 潤(rùn)滑近似和液滴鋪展的動(dòng)力學(xué)方程
7.6.3 一維情況下液滴鋪展的動(dòng)力學(xué)方程的解
7.6.4 液滴自相似鋪展的標(biāo)度律
7.7 接觸角滯后
7.8 分子動(dòng)理論(MKT)——移動(dòng)接觸線(xiàn)問(wèn)題中的跨尺度理論
7.9 三相接觸線(xiàn)處的水動(dòng)力模型
7.1 0Huh-Scriven 佯謬
7.1 1討論
參考文獻(xiàn)
第8章 前驅(qū)膜的物理力學(xué)性質(zhì)
8.1 有關(guān)前驅(qū)膜的實(shí)驗(yàn)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(duì)比
8.3 有關(guān)前驅(qū)膜的Langevin動(dòng)力學(xué)和MonteCarlo模擬
8.4 有關(guān)前驅(qū)膜的分子動(dòng)力學(xué)模擬
8.5 討論
參考文獻(xiàn)
第9章 電潤(rùn)濕中的移動(dòng)接觸線(xiàn)問(wèn)題
9.1 電潤(rùn)濕歷史的簡(jiǎn)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(xì)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(rùn)濕方程
9.1.4 電潤(rùn)濕下的三相接觸點(diǎn)的特點(diǎn)
9.2 電潤(rùn)濕的基本控制方程
9.2.1 電潤(rùn)濕中三相接觸點(diǎn)處電場(chǎng)的奇異性分析
9.2.2 自發(fā)電潤(rùn)濕的控制方程
9.3 接觸模式的電潤(rùn)濕的實(shí)驗(yàn)和理論分析
9.3.1 接觸式電潤(rùn)濕的實(shí)驗(yàn)
9.3.2 接觸式電潤(rùn)濕中電荷量的估算
9.3.3 液滴失穩(wěn)特征時(shí)間的理論估算
9.4 絕緣膜擊穿動(dòng)態(tài)過(guò)程的觀(guān)測(cè)
9.5 電場(chǎng)作用下荷葉上的液滴啟動(dòng)
9.5.1 實(shí)驗(yàn)裝置和材料制備
9.5.2 通過(guò)電勢(shì)梯度實(shí)現(xiàn)液滴的啟動(dòng)
9.5.3 結(jié)果分析
9.6 納米電潤(rùn)濕中的標(biāo)度律和前驅(qū)膜
9.7 電彈性毛細(xì)動(dòng)力學(xué)
9.7.1 彈性毛細(xì)
9.7.2 電彈性毛細(xì)動(dòng)力學(xué)
9.8 曲面電潤(rùn)濕
9.9 鋪展系數(shù)的線(xiàn)張力、分離壓力和電場(chǎng)力修正
9.1 0 電潤(rùn)濕物理力學(xué)機(jī)制的進(jìn)一步討論
參考文獻(xiàn)
第10章 內(nèi)角潤(rùn)濕和電潤(rùn)濕的移動(dòng)接觸線(xiàn)問(wèn)題
10.1 宏觀(guān)內(nèi)角潤(rùn)濕的Taylor猜想和Concus-Finn條件
10.2 納米液滴在內(nèi)角毛細(xì)流動(dòng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬
10.3 內(nèi)角潤(rùn)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(dòng)態(tài)電潤(rùn)濕
10.5 本章結(jié)束語(yǔ)
參考文獻(xiàn)
第11章 受限液體和納流動(dòng)中的邊界滑移
11.1 納米流變學(xué)——受限液體的若干力學(xué)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(jí)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(shí)間若干個(gè)數(shù)量級(jí)的提高
11.1.5 擴(kuò)散,分子的協(xié)同運(yùn)動(dòng)
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(dòng)中的邊界滑移模型與機(jī)制
11.3.1 Navier線(xiàn)性滑移模型
11.3.2 動(dòng)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(gè)曲面固壁間液體流動(dòng)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(dòng)理論(MKT)的滑移模型
11.4 水在超長(zhǎng)CNT流動(dòng)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算
11.4.1 CNT 管徑和手性對(duì)毛細(xì)流動(dòng)的影響
11.4.2 水進(jìn)入CNT所需的臨界壓力
11.4.3 CNT內(nèi)毛細(xì)流動(dòng)的力電耦合的DFT/MD迭代模擬
11.4.4 超長(zhǎng)CNT中毛細(xì)流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究
11.5 受限流體中的對(duì)稱(chēng)性破缺
11.5.1 對(duì)稱(chēng)性破缺
11.5.2 納微受限流動(dòng)中的對(duì)稱(chēng)性破缺
11.5.3 封閉狹縫內(nèi)受限流體的對(duì)稱(chēng)性破缺
11.6 化學(xué)鍵層次對(duì)超潤(rùn)滑機(jī)理的理解
參考文獻(xiàn)
第12章 液滴在固體表面蒸發(fā)的物理力學(xué)行為
12.1 咖啡環(huán)效應(yīng)：蒸發(fā)與Marangoni對(duì)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(xiàn)釘扎和去釘扎的物理力學(xué)機(jī)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(guān)測(cè)
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(yǔ)
參考文獻(xiàn)
第13章 分子馬達(dá)和微懸臂梁傳感器中的界面力學(xué)
13.1 分子機(jī)器中的一些重要力學(xué)問(wèn)題
13.1.1 分子馬達(dá)的效率
13.1.2 F0F1-ATPase的化學(xué)態(tài)及動(dòng)力學(xué)方程
13.1.3 F1分子馬達(dá)低Reynolds數(shù)流體動(dòng)力學(xué)
13.1.4 來(lái)自生物系統(tǒng)的摩擦與潤(rùn)滑的啟示以及分子馬達(dá)的組裝
13.2 分子機(jī)器固定問(wèn)題的多尺度模擬
13.2.1 分子馬達(dá)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(dá)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(jī)制
13.3.2 微懸臂梁表面應(yīng)力模型
13.4 本章結(jié)束語(yǔ)
參考文獻(xiàn)
第14章 超靈敏微納傳感機(jī)理的表面物理力學(xué)基礎(chǔ)
14.1 微納生物傳感器的機(jī)理概述
14.2 金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的耗盡層模型
14.3 氧化鋅表面氣體傳感機(jī)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(cè)與改性
14.4.1 引言
14.4.2 計(jì)算模型及方法
14.4.3 有毒氣體分子的檢測(cè)與計(jì)算
14.4.4 有機(jī)物分子的吸附檢測(cè)與計(jì)算
參考文獻(xiàn)
第15章 表面擴(kuò)散與表面演化動(dòng)力學(xué)
15.1 Herring-Mullins公式和Asaro-Tiller公式
15.1.1 Herring 公式的推導(dǎo)細(xì)節(jié)
15.1.2 Mullins 的貢獻(xiàn)
15.1.3 Asaro-Tiller 公式
15.1.4 電場(chǎng)對(duì)Asaro-Tiller公式的貢獻(xiàn)
15.2 Gibbs-Thomson 公式
15.3 Shuttleworth-Herring 公式
15.4 表面擴(kuò)散的Nernst-Einstein公式與表面演化方程
15.5 Nichols和Mullins對(duì)無(wú)限長(zhǎng)圓柱體表面穩(wěn)定性的分析
15.5.1 表面擴(kuò)散
15.5.2 體內(nèi)部擴(kuò)散
15.5.3 體外部擴(kuò)散
15.6 Nichols和Mullins對(duì)球體表面穩(wěn)定性的分析
15.6.1 表面擴(kuò)散
15.6.2 體內(nèi)部擴(kuò)散
15.6.3 體外部擴(kuò)散
15.7 表面擴(kuò)散引起的薄膜生長(zhǎng)中的Asaro-Tiller-Grinfeld失穩(wěn)
參考文獻(xiàn)
第16章 表面與界面演化中的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)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(jī)械混合與理想溶液混合的自由能表達(dá)式
16.1.3 失穩(wěn)分解、上坡擴(kuò)散與下坡擴(kuò)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(xì)化
16.3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量學(xué)分析
16.3.3 相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)演化中的特征尺度
16.4 潤(rùn)濕與電潤(rùn)濕中的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)
16.5 本章結(jié)束語(yǔ)
參考文獻(xiàn)
附錄A 分子動(dòng)力學(xué)模擬勢(shì)函數(shù)
A.1 基本原理
A.2 基本力場(chǎng)
A.2.1 鍵伸縮能
A.2.2 鍵角彎曲項(xiàng)
A.2.3 二面角扭轉(zhuǎn)項(xiàng)
A.2.4 偏離平面振動(dòng)項(xiàng)
A.2.5 非正常二面角扭轉(zhuǎn)項(xiàng)
A.2.6 庫(kù)侖作用項(xiàng)
A.2.7 非鍵結(jié)作用項(xiàng)
A.3 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化方法
A.3.1 有機(jī)化合物適用力場(chǎng)
A.3.2 生物及有機(jī)物體系模擬適用力場(chǎng)
A.3.3 嵌入原子勢(shì)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(shì)
A.3.5 反應(yīng)力場(chǎng)
A.3.6 普遍適用的經(jīng)驗(yàn)力場(chǎng)
參考文獻(xiàn)
附錄B 水模型
參考文獻(xiàn)
附錄C 固體基底上潤(rùn)滑近似下液體薄膜運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)
C.1 一般形式液體薄膜運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)過(guò)程
C.2 一般形式液體薄膜運(yùn)動(dòng)方程的幾種特例
C.2.1 僅有表面張力作用,且認(rèn)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(xì)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(yùn)動(dòng)方程
C.3.1 圓柱內(nèi)(凹面)液體薄膜運(yùn)動(dòng)方程
C.3.2 圓柱外(凸面)液體薄膜運(yùn)動(dòng)方程
參考文獻(xiàn)
附錄D Young-Laplace方程的求解
D.1 垂直管中液面高度的計(jì)算
D.1.1 單個(gè)垂直壁面半無(wú)限區(qū)域的情況
D.1.2 兩個(gè)垂直壁面所夾區(qū)域的情況
D.2 圓柱漂浮在液體表面時(shí), 液面形狀的確定
參考文獻(xiàn)
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(xiàn)
附錄F表面與界面的微分幾何關(guān)系
參考文獻(xiàn)
附錄G 水與表面和界面相關(guān)的一些特性
索引