第一章 表面与界面基础
表面与界面问题是我们日常生活、科学研究以及工程实践中经常遇到的问题。尽管人们起初可能意识不到表界面的重要性，但表面与界面的性质往往对材料的性能和应用起着决定性的作用。
自然界的物质主要以固相、液相和气相三种形态存在，固相和液相又称为凝聚相。简言之，界面（interface）是指两相之间的共有边界。由于气体可以相互扩散，无法形成清晰的边界，所以我们可以得到5种界面组合：固／液、固／固、液／液、固／气和液／气；表面（surface）的严格定义是指固体或液体与真空的交界面。通常情况下我们将肉眼所能观察到的物体的外部称为表面。因此，我们日常概念中的表面实际上是固／气界面和液／气界面，只是忽略了气相的影响。
界面可以看做将两相分割开的中间区域或者薄层，它的真正作用在于，互相接触的两相通过界面实现由一相到另一相的转换，形成在组成、密度、性质上与两相有交错并有梯度变化的过渡区域。此过渡区域也称为界面层，其性质独特，与所连接的两相的性质不完全相同。界面是很薄的二维区域，一般只有零点几纳米到几纳米，若两相的相容性好则可以形成较厚的界面层，产生新的过渡相，使清晰的界面消失。
当固体表面为不可挥发的光滑表面，并且与惰性气体接触时，过渡区基本上是一个分子的厚度。因此，会存在一个由固体分子到气体分子突然变化的非常清晰的边界。对于常规的不规则表面，过渡区反映的是表面的物理不规则性。
纯液体与其蒸气相接触时，过渡区不会有突然的变化，分子浓度由本体物质的浓度逐渐降低到纯气体的浓度。此时，过渡区可以达到几个分子的厚度。混合液体与气相的界面，每种组分都有自己的梯度分布，这取决于组分的挥发性和互溶性。有限互溶的两个液相的界面也具有类似的状况。对多相流体来说，随着温度的升高界面区域变厚，达到一定温度时会出现临界现象，此时两相界面不复存在。因此，随着两相物理差别越来越小，界面过渡区变得不明显，直到最后形成单一相。同一液体系也具有类似的浓度变化，具体的细节取决于固体在液体中的溶解性。
1．1 表面能与表面张力
日常生活中有很多神奇的表界面现象，比如：漂浮在水面上的针和硬币，能在水上自由行走的水黾，防雾的眼镜片，建筑物的防水防污涂料，还有魔术舞台上大到可以装下人的肥皂泡。这些都与我们所说的表面张力和表面能有关。
1．1．1 表面能
表面和界面现象来自于表面和界面上的相互作用。由于所处的环境特殊，物质的微小单元（单个的原子或分子）在能量和反应活性上与本体和溶液中的单元有明显的不同。在本体相中，各单元之间的相互作用，使其处于均匀的力场之中。如果本体相在真空中被等温可逆地沿某一单元所在的面剖开，分开一定的距离（H），形成两个新的面，那么这一“单元”所受的力将不再均匀。换句话说，就是它仍能“感觉”到原来与其相邻的“单元”的存在，但是相互作用减弱了。由于新表面上的“单元”处于不同的能量环境中，总的自由能必然发生变化。新表面的生成使处在界面上或界面附近的“单元”的自由能升高。新状态的形成所带来的体系自由能的净增长与新生成表面的面积和界面单元的密度成正比。当然，体系自由能的变化也与分开的距离有关系，当分开距离足够远时，体系自由能变为常数。这些额外的增加的能量称作“表面自由能”，更准确的应称为“过剩表面自由能”。需要注意的是，过剩自由能与体系的总自由能是不相等的，其仅仅是位于表面的“单元”的那部分。
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