应变无定形固体的表面能

表面能与表面应力的本质差异

材料界面能量特性是理解材料力学行为的关键。表面能（γ）与表面应力（Υ）常被混淆，但两者物理意义截然不同：表面能源于断裂分子键的能量损耗，而表面应力反映形变过程中分子键拉伸的力学响应。二者通过沙特尔沃思方程关联：
ΥAB​(ε)=γAB​(ε)+dεdγAB​(ε)​

其中ε为平行于界面的应变。对于液体而言，表面能与应力相等，因其分子可自由重排；而晶体材料因原子密度随应变变化，表面能呈现显著应变依赖性。

晶体与非晶材料的力学响应对比

现有研究表明，晶体材料的表面能与应力差异可通过理论计算精确预测，但非晶材料（如玻璃、弹性体）的界面特性仍存争议。实验验证面临两大挑战：

1.测量技术依赖模型假设：传统方法需通过接触角间接推算能量参数。

2.大应变下的稳定性差异：弹性体在100%应变下仍能保持界面特性稳定（图1b），而玻璃仅需6%应变即可引发显著接触角变化（图1a）。

图1 应变和非应变聚合物基板的接触角测量。a测量未拉伸(左)和6% 拉伸(右)聚碳酸酯玻璃上甘油的接触角。左面板显示了一个典型的圆形帽配合(红色实线)的液滴配置文件。b甘油在未拉伸(左)和100% 拉伸(右)弹性体上的接触角测量。图像重新缩放，以便所有接触半径出现相等，同时保留纵横比。由于型材是球形帽，因此帽的高度是接触角的指示(见黑色虚线)。任何低于水平白色虚线是基板的反射。所有比例尺对应于50微米。

实验揭示材料界面特性

本研究基于Young-Dupré定律（γlv​cosθY​=γsv​−γsl​），通过控制变量法量化应变影响：

• ​聚合物玻璃：接触角θ_Y随应变显著变化，证明表面能（γ_sv与γ_sl）存在应变依赖性。
• ​弹性体材料：即使经历100%拉伸，θ_Y仍保持恒定，表明其表面能与应变无关。
  关键发现：非晶材料的能量响应受分子链自由度支配——弹性体的交联网络可自适应应变，而玻璃态分子重排受限，导致能量参数敏感变化。

工程应用与未来方向

研究结果为柔性电子（弹性体界面设计）和脆性涂层优化（玻璃基板应变控制）提供理论支撑。下一步需开发原位表征技术，直接观测大应变下分子键的微观响应。

参考文献：1.Schulman, R.D., Trejo, M., Salez, T. et al. Surface energy of strained amorphous solids. Nat Commun 9, 982 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-03346-1

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