Interfacial and Confined Water

Interfacial and Confined Water pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:
作者:Brovchenko, Ivan/ Oleinikova, Alla
出品人:
页数:320
译者:
出版时间:2008-6
价格:1701.00 元
装帧:
isbn号码:9780444527189
丛书系列:
图书标签:
  • 界面
  • 受限水
  • 纳米尺度
  • 水合作用
  • 分子模拟
  • 表面化学
  • 生物物理
  • 材料科学
  • 水结构
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具体描述

Water in the proximity of a surface (interfacial water) is abundant on the earth. It is involved in various physical and chemical processes and crucial for biological function. Despite numerous studies of interfacial water, systematic analysis of its properties is missing in scientific literature. This book is a first comprehensive review of experimental and simulation studies of water in various confining environments, such as hydrophilic and hydrophobic surfaces, surfaces of biomolecules, porous media, etc. Systematic analysis of interfacial and confined water is based on the firm physical ground, which accounts for variety of the thermodynamic states of water near the surface, surface phase transitions, surface critical behaviour, effect of confinement on the bulk and surface phase transitions of water, clustering and formation of a spanning hydrogen-bonded water network via percolation transition. This allows distinguishing between universal features, common for all fluids, and some specific water properties, related to intermolecular hydrogen bonds. Special attention is paid to the properties of hydration water, which covers biomolecules and enables their biological activity. This book provides readers with basic information on interfacial and confined water, which will be useful for scientists and engineers working in the fields of bioscienses, nanociences and nanotechnologies.

* Comprehensive review and analysis of interfacial and confined water

* Updates and informs practitioners and students on all the latest developments in the field

* Written by leading scholars and industry experts

浩瀚星河的微观探索:流体力学与材料科学的交汇点 图书名称: 《浩瀚星河的微观探索:流体力学与材料科学的交汇点》 图书简介: 本书旨在深入探讨流体力学与材料科学在微观尺度上相互作用的复杂现象。我们聚焦于宏观尺度下难以捕捉的物理过程,着眼于界面效应、纳米结构调控以及由此引发的宏观性能演变。全书结构清晰,逻辑严谨,力求为研究人员、工程师以及高年级本科生和研究生提供一个全面、深入的学习和参考平台。 第一章:引言:从宏观到微观的范式转移 本章首先回顾了经典流体力学的基本原理及其在工程领域的广泛应用。随后,我们明确指出,当尺度进入微米和纳米范围时,传统的连续介质模型开始显现局限性。我们将阐述驱动这种转变的核心因素,包括表面能、范德华力、毛细作用以及量子效应的相对重要性的增加。本章将重点介绍研究微纳尺度流体行为的关键技术挑战,如高精度传感、原位表征以及数值模拟的必要性。我们将设定本书的基调,即通过跨学科的视角,构建连接材料结构与流体动力学行为的桥梁。 第二章:界面张力与表面驱动的现象 界面是物质世界的基本构造单元,其性质直接决定了系统在微观尺度下的行为。本章将对界面张力进行深入的理论剖析,涵盖吉布斯自由能、拉普拉斯方程的修正形式,以及在复杂几何结构(如曲面、尖锐边缘)下的张力分布。 重点内容包括: 1. 界面热力学: 详细讨论温度、压力和组分变化对界面能的影响。引入“表面熵”的概念,并分析其对液体在固体表面铺展行为的调控作用。 2. 毛细现象的现代诠释: 传统的毛细管理论在微通道和多孔介质中需要修正。本章将引入润湿性(接触角测量及其动态变化)的概念,并探讨电场、磁场对毛细力的调控机制(电润湿效应)。 3. 液滴动力学: 研究微滴在固相表面上的运动、合并、破碎和蒸发过程。特别关注非牛顿流体液滴的动力学行为,例如高粘度液滴在梯度表面的迁移速率与表面形貌的关系。 第三章:纳米尺度下流体的分子动力学模拟 在原子和分子层面理解流体行为,分子动力学(MD)模拟是不可或缺的工具。本章将侧重于如何利用计算方法准确捕捉流体与固体表面的相互作用。 1. 力场构建与选择: 讨论构建适用于固-液界面的精确势函数(如LJ势、嵌入式原子法)的挑战。重点分析如何参数化水、有机溶剂或聚合物链与不同晶面(如金属、氧化物)之间的相互作用。 2. 界面输运性质的计算: 详细介绍如何通过MD模拟计算界面处的扩散系数、剪切粘度以及热导率。强调界面层中分子排列的有序性如何导致这些宏观参数的显著偏离。 3. 反应性流体与催化: 对于涉及化学反应的流体系统,本章将介绍从头算分子动力学(AIMD)在描述界面化学反应路径和活化能方面的应用。探讨催化剂表面上反应物分子的吸附、迁移和产物脱附的动力学。 第四章:多孔介质中的宏观输运与微结构影响 多孔材料在过滤、储能、生物医学等领域具有核心地位。本章将流体力学与多孔介质的结构特性相结合。 1. 渗透性与孔隙结构: 阐述达西定律的适用范围,并引入修正因子,如Kozeny-Carman方程,解释孔隙连通性、比表面积和颗粒形状对渗透率的影响。 2. 非均匀流动与传质: 针对具有复杂孔隙结构(如裂缝、层状结构)的材料,分析流场和物质传递的异向性。讨论扩散和对流耦合作用下,污染物或离子在多孔基质中的迁移模型。 3. 电化学系统中多孔电极的流体动力学: 重点关注锂离子电池、燃料电池等电化学器件中电解液在微孔结构中的传输限制。分析离子迁移率受限于孔道几何形状和界面双电层厚度的机制。 第五章:软物质与复杂流体的界面行为 软物质,如聚合物溶液、胶体悬浮液和液晶,其流变学行为与分子结构紧密相关。本章研究这些复杂流体在存在界面时的特殊响应。 1. 聚合物在界面上的吸附与刷层形成: 探讨聚合物链在固体表面上的构象变化(折叠、延展或形成单分子层)。分析吸附层厚度、密度分布对界面粘附力和摩擦力的影响。 2. 胶体粒子的沉降与稳定化: 经典DLVO理论在研究胶体稳定性时的局限性,特别是高盐度或极短距离下的排斥力机制。讨论熵驱动力(如空间排阻)在稳定纳米颗粒悬浮液中的作用。 3. 界面处的剪切稀化与增稠: 考察当富含软物质的流体受到外部剪切作用时,界面附近分子层或结构域的重新排列如何导致宏观粘度发生非线性变化。 第六章:生物物理界面:细胞与微流控中的流体作用 本章将视角转向生物系统和生物启发工程,探讨微流控技术如何揭示生命过程中涉及的流体物理现象。 1. 红细胞在微通道中的形变与流动: 分析血液在狭窄血管中流动时,红细胞的非线性弹性形变如何影响整体血液粘度和剪切应力分布。 2. 细胞粘附与牵引力: 讨论细胞骨架与基质蛋白之间的相互作用如何通过牵引力影响细胞的铺展和迁移。应用流体力学原理量化细胞施加在基底上的局部剪切力。 3. 微流控芯片中的粒子分离: 详细介绍基于流体动力学差异(如侧向偏移力、电泳力)对不同大小或电荷的粒子进行高效分离的技术,如介电泳(DEP)和惯性聚焦。 第七章:前沿展望与新兴技术 本书的最后一部分将聚焦于该领域最具潜力的研究方向和新兴的实验技术。 1. 动态表征技术: 介绍高时间分辨率的原子力显微镜(AFM)技术,用于实时测量界面粘弹性;以及同步辐射X射线散射技术在探测界面结构上的最新进展。 2. 智能响应界面: 探讨如何设计对外部刺激(光、pH、温度)敏感的材料表面,以实现对界面流体行为的主动控制,例如可开关的润湿性表面。 3. 计算方法的未来: 展望混合模型(耦合连续介质与分子动力学)在解决跨尺度问题中的巨大潜力,以及机器学习在加速复杂流体参数化中的应用。 本书内容深度适中,理论推导清晰,配有大量的示意图和关键公式推导,旨在成为连接基础物理与前沿工程应用的坚实桥梁。

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