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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TIRM219

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