表面自由能与表面应力的统一描述

尽管界面现象的研究可追溯至 Laplace 并由 Gibbs 形式化，但文献中似乎仍有一些概念及其间关系引起混淆与争论，尤其涉及固体的界面。此外，自分子动力学（MD）模拟开始被广泛用于表面性质研究以来，这些争论只增不减。本文从热力学与统计力学角度对界面性质给出系统性描述。特别地，我们将推导与 MD 模拟相联系，精确说明不同量代表什么以及它们如何计算。我们未遵循先一般描述表面热力学再考虑特例（如液-液界面、液-固界面）的惯常路径，而是以层次化方式呈现对各表面性质的分析：从我们所确认的最简单情形——单组分液-真空界面出发，并在推进至涉及固体的更复杂界面时逐步加入更多复杂因素。我们提议，在涉及固体的表面与界面描述中不应使用“表面张力”一词，因其含义模糊。仅有“表面自由能”与“表面应力”定义良好，并代表界面 distinct 但相关的性质。我们证明，这些在热力学中定义并在 MD 模拟中测量的量满足 Shuttleworth 方程。