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固体の表面のエネルギーはなぜ常に内部よりも高いのでしょうか？その秘密を知っていますか？
材料科学において、固体の表面エネルギーは固体の特性を理解するための重要な概念です。固体の結晶構造と表面特性を分析すると、固体の表面のエネルギーが常に内部のエネルギーよりも高いことが分かります。なぜこのようなことが起こるのでしょうか?この質問は顔に関するものだけではなく、微視的な原子構造や化学結合にまで深く入り込んでいます。
表面エネルギーは、表面の原子と体内の原子の結合の違いによって存在します。表面の原子は、体内の原子ほど隣接する原子と密接に結合していません。
固体材料を切断すると、その作用によって固体内部の構造が破壊され、新しい表面が形成されます。これは、固体内部では原子間の結合が安定しており、各原子が他の原子に囲まれて強固なネットワーク構造を形成しているためです。表面原子は周囲の原子と完全に結合していないため、状況は異なります。この不完全な結合により、表面原子は内部原子に比べて高いエネルギーを持つようになるため、固体の表面エネルギーは常に内部エネルギーよりも高いと考えられます。
この「過剰エネルギー」は実現されていない結合を表し、固体の表面エネルギーが高くなる主な理由の 1 つです。
表面エネルギーの測定と評価
科学者たちは、知る必要がある情報に応じて、固体の表面エネルギーを測定するさまざまな方法を開発してきました。最も一般的な方法の 1 つは接触角テストです。この方法は、固体表面とそれを浸透する液体との間の接触角を測定することによって固体表面の表面エネルギーを計算します。接触角が小さい場合、液体が固体表面によく浸透し、表面エネルギーが高くなることを意味します。逆に、接触角が大きい場合、固体の液体に対する引力が弱くなり、表面エネルギーが比較的低くなります。
このテストの便利な点は、あまり多くの実験設備を必要とせず、さまざまな材料に適用できるため、学術研究や産業応用が容易になることです。
固体表面エネルギーの計算
固体の変形を例にとると、固体が応力を受けると、変化する表面エネルギーは「単位表面積を作るのに必要なエネルギー」と考えることができます。この概念は、さまざまな条件下で固体の物理的特性がどのように変化するかを理解するのに役立ちます。たとえば、密度汎関数理論 (DFT) を使用すると、固体の表面エネルギーを予測し、冷却、加熱、変形中の材料の特性の変化をさらに理解することができます。
さらに、高温での固体の実験では、その表面エネルギーをより正確に測定することもできます。この場合、固体は異なる流動特性を示し、ほぼ同じ体積を維持しながら表面積が変化します。
界面エネルギーと濡れ性
注目すべきもう 1 つの側面は、材料の熱力学的パラメータに大きな影響を与える界面エネルギーです。固体上の液体の「濡れ性」は、固体の表面に広がる液体の滴を考えると明らかになります。これは固体の表面エネルギーにも関連しており、表面エネルギーが異なると液体の濡れ挙動も異なります。
結論濡れ性はマクロ的な現象であるだけでなく、接触面に対する原子の親和性などのミクロ構造の相互作用にも起因します。
固体の表面のエネルギーが常に内部よりも高い理由は、その原子構造、未実現の結合、およびさまざまな環境での固体の反応の特性に根ざしています。表面エネルギーの研究は、材料科学における重要なテーマであるだけでなく、さまざまな工学的応用にも影響を与えます。これらの現象をさらに探究していくと、次のような疑問が湧いてきます。将来の材料科学では、表面エネルギー特性をより効率的に利用して、より効率的な材料を作成するにはどうすればよいのでしょうか。
