表面能

表面能

表面能（Surface Energy）是指創造物質表面所需消耗的能量，也可以理解為物質表面分子比內部分子多出的能量。當物質被分割時，斷開化學鍵會產生新的表面，這個過程需要做功，所做的功就轉化為表面能。

從微觀角度來看，表面能反映了表面分子與內部分子的能量差異：

• 內部分子受到周圍分子的作用力是對稱平衡的

• 表面分子只受到內側分子的作用力，處於受力不平衡狀態

• 這種不平衡導致表面分子具有額外的勢能

表面能可以通過以下公式計算：

γ = (∂G/∂A)_T,P,n

其中：

• γ 為表面能

• G 為吉布斯自由能

• A 為表面積

• T、P、n 分別表示溫度、壓力和物質的量保持不變

物質本性

不同物質的分子間作用力不同，表面能差異很大：

• 金屬表面能通常較高（500-2500 mJ/m²）

• 無機非金屬材料次之（300-1000 mJ/m²）

• 有機物和聚合物表面能較低（<100 mJ/m²）

溫度

溫度升高會導致：

• 分子動能增加

• 分子間作用力減弱

• 表面能降低

表面狀況

• 表面粗糙度會影響有效表面積

• 表面污染或吸附會改變表面能

• 晶體取向不同表面能也不同

常見的表面能測量方法包括：

接觸角法

通過測量液體在固體表面的接觸角，利用Young方程計算表面能。

懸滴法

通過分析液滴形狀計算液體表面張力（液體表面能）。

毛細管上升法

利用液體在毛細管中的上升高度計算表面能。

材料科學

• 評估材料表面活性

• 研究界面現象

• 指導表面改性

塗料工業

• 提高塗料附著力

• 優化塗料流平性

• 解決塗層缺陷

生物醫學

• 研究細胞與材料相互作用

• 設計生物相容性材料

• 開發藥物載體

表面能 vs 表面張力

• 表面能：固體表面特性，單位為mJ/m²

• 表面張力：液體表面特性，單位為mN/m

• 對液體而言，數值上表面能=表面張力

表面能 vs 界面能

• 表面能：物質與其蒸氣接觸面的能量

• 界面能：兩種不相溶物質接觸面的能量

1. 百度百科"表面能"條目

2. 《表面物理化學》，化學工業出版社

3. 《材料表面科學》，清華大學出版社