分子间与表面力

目 录
《纳米科学与技术》丛书序
翻译版序
Jacob Israelachvili传记
译者序
第三版序
第二版序
第一版序
单位、符号、有用的量和关系
定义和术语
第一部分 原子和分子间力
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:连续舰与分子理论之争 7
1.6 分子间力一规律和相互作用势:长程力和短程力 8
1.7 首个成功的唯象舰 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 多分子系统的舰性分析: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 物麵和化学键 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舰 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 113
6.9.1 色散力的各向异性 113
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 8.3 不同类型相互作用的相对强度 130 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
第10章 分子间力和粒子间力的统—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-細与粒子-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:接雌舰 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φx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（聚合物媒介丨及热涨落力 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(聚合物熔体冲的粒子间力 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 高曲率細和界面: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 固体赚间的黏附: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 摩擦棚的舰模型 444
问题与讨论 446
第三部分 自组装结构和生物系统
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 表面与界面上的自雜：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DOVO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