纳米科学与技术 分子间力和表面力PDF电子书下载

第一部分 原子和分子间力 3

第1章 历史回顾 3

1.1 自然界存在的四种力 3

1.2 希腊和中世纪关于分子间力的认识 3

1.3 17世纪：早期科学时期 5

1.4 18世纪：困惑、矛盾和争论 7

1.5 19世纪：连续理论与分子理论之争 7

1.6 分子间力——规律和相互作用势：长程力和短程力 8

1.7 首个成功的唯象理论 11

1.8 分子尺寸的首次估计 14

1.9 20世纪：了解简单系统 14

1.10 近期发展趋势 15

问题与讨论 17

第2章 分子间力的热力学和统计力学 21

2.1 自由空间和介质中的分子间相互作用 21

2.2 自我能与二体势 22

2.3 玻尔兹曼分布和化学势 24

2.4 平衡系统中的分子和粒子分布 25

2.5 范德华状态方程（EOS） 27

2.6 用热能kT作为标准来估计相互作用的强度 29

2.7 力和二体势的分类 31

2.8 多分子系统的理论性分析：连续性方法或分子方法 33

2.9 计算机模拟的分子方法：蒙特卡罗（MC）和分子动力学（MD） 34

2.10 牛顿定律在二体碰撞中应用 35

2.11 多重碰撞的动力学和统计力学：玻尔兹曼分布 40

问题与讨论 46

第3章 强分子间力：共价相互作用与库仑相互作用 48

3.1 共价键（化学键力） 48

3.2 物理键和化学键 49

3.3 库仑力或者电荷－电荷之间的相互作用，高斯规则 49

3.4 离子晶体 53

3.5 参考态 54

3.6 静电力的范围 54

3.7 离子的玻恩能 55

3.8 离子在不同溶剂中的溶解度 56

3.9 特殊离子－溶剂作用：连续性方法 59

3.10 分子方法：计算机模拟和多体系统的积分方程 60

问题与讨论 62

第4章 极性分子间相互作用 64

4.1 什么是极性分子 64

4.2 极性自我能 66

4.3 离子－偶极相互作用 66

4.4 极性溶剂中的离子 70

4.5 水中强的离子－偶极相互作用：水合离子 71

4.6 溶解力、结构力和水合力 73

4.7 偶极－偶极相互作用 74

4.8 磁偶极 75

4.9 氢键 75

4.10 旋转偶极和角平均势 76

4.11 熵效应 78

问题与讨论 79

第5章 与分子极化有关的相互作用 82

5.1 原子与分子的极化率 82

5.2 极性分子的极化率 83

5.3 其他极化机理和极化对静电相互作用的影响 85

5.4 离子和中性分子之间的相互作用 86

5.5 离子－溶剂分子相互作用和玻恩能 88

5.6 偶极－诱导偶极间相互作用 89

5.7 极化相互作用的统一 90

5.8 溶剂化效应与“超额极化率” 90

问题与讨论 95

第6章 范德华力 96

6.1 中性分子间范德华色散力的起源：London方程 96

6.2 色散力的强度：范德华固体和液体 98

6.3 范德华状态方程 101

6.4 三维及二维体系的气－液、液－固相转变 103

6.5 极性分子间范德华力 105

6.6 分子间范德华力的基本理论 107

6.7 介质中的范德华力 109

6.8 分子在介质中的色散自我能 113

6.9 范德华力的深入层面：各向异性（取向），非相加性（多体）和延迟效应 114

6.9.1 色散力的各向异性 114

6.9.2 范德华力和多体效应的非叠加性 115

6.9.3 延迟效应 116

问题与讨论 116

第7章 空间斥力、全分子间二体势和液体结构 119

7.1 原子、分子和离子的尺寸 119

7.2 排斥势 121

7.3 全分子间二体势：形式、量级和范围 122

7.4 斥力在非共价键结合的固体中的作用 126

7.5 固体中分子和粒子的堆积 127

7.6 斥力在液体中的作用：液体的分子结构 130

7.7 液体结构对分子间力的影响 132

问题与讨论 133

第8章 特殊的相互作用：氢键、疏水和亲水相互作用 135

8.1 水的独特性质 135

8.2 氢键 136

8.3 水与缔合液体的模型 139

8.4 不同类型相互作用的相对强度 140

8.5 疏水效应 141

8.6 疏水相互作用 144

8.7 亲水相互作用 146

问题与讨论 148

第9章 非平衡和与时间相关的相互作用 150

9.1 与时间和速率相关的相互作用和过程 150

9.2 与速率和时间相关的脱离（剥离）力 151

9.3 分子碰撞时的能量转移（耗散）：Deborah数 155

9.4 结合－脱离过程中的能量转移 158

9.5 复杂过程中时间、温度与速度（速率）之间的关系 162

问题与讨论 165

第二部分 粒子和表面间力 171

第10章 分子间力和粒子间力的统一概念 171

10.1 介质中相似分子或粒子的缔合作用 171

10.2 介质中相互接近的相似表面：表面能和界面能 175

10.3 第三介质中不同分子、粒子或表面的结合 177

10.4 粒子－表面与粒子－界面的相互作用 178

10.5 吞噬和排出 179

10.6 吸附表面膜：润湿和非润湿 180

问题与讨论 182

第11章 分子间力、粒子间力及表面间力的比较 184

11.1 力的短程和长程效应：定性区分粒子间相互作用与小分子间相互作用 184

11.2 宏观物体间的相互作用势 187

11.2.1 分子－表面相互作用 187

11.2.2 球平面和球－球相互作用 187

11.2.3 表面－表面相互作用 189

11.3 两球体的有效相互作用面积：Langbein近似 189

11.4 粒子间相互作用与原子间或小分子间相互作用的比较 190

11.4.1 粒子间相互作用势能的尺寸效应 190

11.4.2 表层深度或表面积比体积缩放效应 190

11.4.3 动力学和非平衡效应 192

11.5 相互作用能与相互作用力：Derjaguin近似 192

11.6 “体积力”和“表面力” 196

问题与讨论 197

第12章 力的测量方法 200

12.1 分子间力、粒子间力和表面力的直接与间接测量 200

12.2 不同直接测量力的方法 202

12.3 直接测量力的机理及相关问题 206

12.4 力－距离函数F（D）的测量 210

12.5 不稳定性 211

12.5.1 力学不稳定性 211

12.5.2 能量不稳定性 212

12.5.3 热力学不稳定性 212

12.6 黏附力和能量的测量 212

12.7 宏观表面间力的测量：SFA，OP/OS等相关方法 214

12.7.1 表面力仪 214

12.7.2 渗透压强或渗透压力的测试方法 218

12.8 测量微观（胶体）和纳米粒子间相互作用力的方法：AFM和TIRM 219

12.8.1 原子力显微镜 219

12.8.2 全内反射荧光显微镜 220

12.9 测量单分子和单键相互作用的方法：OT和MC方法 222

12.9.1 光镊或光学捕集 222

12.9.2 微悬臂梁 223

问题与讨论 223

第13章 粒子与表面间的范德华力 225

13.1 不同几何形状物体间的范德华作用力规律：Hamaker常量 225

13.2 真空或空气中物体间范德华力的强度 227

13.3 范德华力的Lifshitz理论 228

13.4 粒子－表面相互作用 231

13.5 基于Lifshitz理论计算的非阻滞Hamaker常量 232

13.6 导电介质间的范德华力 233

13.7 真空或空气中相互作用Hamaker常量的理论值和实验值 234

13.8 Lifshitz理论在介质中相互作用上的应用 236

13.9 排斥性的范德华力：分离压和润湿膜 239

13.10 较大间距下的范德华力：阻滞效应 242

13.11 电解质溶液中的静电屏蔽 244

13.12 结合关系 245

13.13 表面能和黏附能 246

13.14 金属的表面能 251

13.15 有吸附层的表面间作用力 252

13.16 有关范德华力的实验 253

问题与讨论 255

第14章 液体中表面间的静电作用力 260

14.1 液体中的表面荷电：“双电层” 260

14.2 水中的电荷表面：没有额外的电解质——“只有反号离子” 261

14.3 泊松－玻尔兹曼（PB）方程 262

14.4 表面处的表面电荷、电场强度和反号离子浓度：“接触”值 263

14.5 远离表面的反号离子浓度曲线 264

14.6 离子分布、电场、表面势和压强的根源 266

14.7 水中两个荷电表面之间的压强：接触值理论 268

14.8 大间距的极限：厚润湿膜 271

14.9 小间距的极限：渗透极限和电荷调节 273

14.10 电解质溶液中的带电表面 274

14.11 Grahame方程 276

14.12 孤立表面的表面电荷和电势 277

14.13 二价离子的影响 279

14.14 德拜（Debye）长度 280

14.15 远离表面的电势ψx和离子浓度ρx的变化 280

14.16 各种粒子表面间的双电层相互作用力和能量 282

14.17 恒定电荷和恒定电势相互作用的精确解：电荷调节 286

14.18 非对称表面 288

14.19 离子凝聚和离子关联作用力 290

14.20 更复杂的体系：有限容器体系和有限离子－尺寸效应 292

14.21 范德华力和双电层力同时作用：DLVO理论 293

14.22 双电层力和DLVO力的实验测量 298

14.23 动电力 301

14.24 离散表面电荷和偶极 301

问题与讨论 304

第15章 溶剂化、结构化和水化作用力 307

15.1 非DLVO力 307

15.2 表面、界面和薄膜中的分子排序 308

15.3 球形分子在两个平滑（非结构）表面间的有序排列 310

15.4 结构表面间非球形分子的有序性 312

15.5 主要类型的溶剂化力的来源：振荡力 314

15.6 拥塞 319

15.7 振荡力的实验测量和性质 320

15.8 水溶液中溶剂化力：单调的排斥性水合力 325

15.9 水溶液中溶剂化力：吸引性的“疏水”力 334

问题与讨论 342

第16章 空间（聚合物媒介）及热涨落力 344

16.1 液体中的扩散界面 344

16.2 溶液中与表面处的聚合物状态 344

16.3 聚合物覆盖的表面间“空间位阻”或“重叠”排斥力 349

16.4 纯聚合物液体（聚合物熔体）中的粒子间力 355

16.5 “链段间”和“桥接”吸引力 356

16.6 “排空”吸引力 359

16.7 聚电解质 363

16.8 聚合物间相互作用的非平衡性 365

16.9 类流体界面间的热涨落和力 366

16.10 短程突出力 367

16.11 长程起伏力 369

问题与讨论 371

第17章 黏附和润湿现象 374

17.1 表面能与界面能 374

17.2 黏附能和黏附力 378

17.3 高曲率表面和界面：簇、空穴和纳米颗粒 380

17.4 接触角和润湿膜 386

17.5 粗糙、有纹理以及化学异质表面的润湿 390

17.6 接触角滞后 394

17.7 固体颗粒间的黏附：JKR及HERTZ理论 398

17.8 黏附滞后 404

17.9 粗糙和纹理表面的黏附 407

17.10 塑性形变 408

17.11 毛细管力 410

问题与讨论 414

第18章 摩擦力和润滑力 420

18.1 摩擦力和润滑力的起源 420

18.2 黏附力和摩擦力的关系 426

18.3 Amonton摩擦定律 431

18.4 平滑滑动和黏滞滑动 432

18.5 润滑滑动 435

18.6 液膜和类固体薄膜的转变 439

18.7 粗糙表面的真实接触面积 442

18.8 滚动摩擦 443

18.9 摩擦机理的理论模型 444

问题与讨论 446

第三部分 自组装结构和生物系统 451

第19章 自组装的热力学原理 451

19.1 介绍：柔性结构 451

19.2 自组装的基本热力学方程 454

19.3 聚集体形成的必要条件 456

19.4 维度和几何效应：棒状、圆盘状和球状 457

19.5 临界胶束浓度（CMC） 459

19.6 无限大聚集体（相分离）与有限尺寸聚集体（胶束化） 463

19.7 转移疏水相互作用能 464

19.8 聚集成核与生长 465

19.9 表面上的二维结构：可溶与不可溶单分子层 467

19.10 线张力和二维胶束（结构域） 467

19.11 可溶性单分子层和吉布斯等温吸附曲线 470

19.12 自组装结构的尺寸分布 471

19.13 巨两亲分子和更复杂的两亲分子结构 473

19.14 聚集体间的相互作用：亚相和多层结构 474

问题与讨论 476

第20章 软物质结构与生物结构 480

20.1 引言：流体两亲结构的平衡条件 480

20.2 最优头基面积 481

20.3 对几何堆积问题的思考 483

20.4 球状胶束 486

20.5 非球状和圆柱状胶束 487

20.6 双分子层 488

20.7 囊泡 492

20.8 单分子层和双分子层曲率／弯曲能量和弹性 494

20.9 其他的两亲结构及其转变 501

20.10 表面与界面上的自组装：二维胶束、域和筏 504

20.11 生物膜 506

20.12 膜脂 508

20.13 膜蛋白和膜结构 509

问题与讨论 511

第21章 生物膜的相互作用及结构 518

21.1 范德华力 518

21.2 静电力（双电层）和DLVO力 522

21.3 排斥熵（热波动、水合位阻）作用力：突出力、头基重叠力与波动力 527

21.4 吸引耗散力 535

21.5 吸引疏水相互作用力 536

21.6 生物特异相互作用：互补相互作用，位点特异相互作用和配体－受体（LR）相互作用 538

21.7 桥接（拴缚）力 542

21.8 膜间作用力与膜内作用力的相互依存性 545

21.9 生物膜黏附、生物黏附 546

21.10 膜融合 550

问题与讨论 553

第22章 动态生物相互作用 556

22.1 生物力与生物相互作用的微妙性 556

22.2 相互作用的时空演化：若干一般性思考 556

22.3 生物破裂和捕获：Bell和Jarzynski方程 557

22.4 串联和并联的多键系统 560

22.5 分离－结合过程：“小概率事件”的生物重要性 564

22.6 生物膜和生物表面的动态相互作用 564

22.7 自组装与定向组装：动态相和可调材料 566

22.8 马达蛋白、运输蛋白和蛋白引擎 568

问题与讨论 568

参考文献 571

索引 595