表面能

想像你把一顆晶體乾淨俐落地一切為二。要做到這件事，你必須把每一根跨越切面的鍵都打斷，而斷鍵是要花能量的。切完之後，你製造出兩個新的表面，剛剛花掉的能量就儲存在它們裡面。表面能正是這個：材料每單位面積的表面所多帶的能量，純粹因為那裡的原子相較於內部原子，有著斷掉、未被滿足的鍵。

表面能通常用希臘字母 gamma 表示，單位是焦耳每平方公尺（J/m^2），也就是每單位面積的能量。粗略估計：若打斷一根鍵要花能量 epsilon、而一個表面每單位面積露出 n 根斷鍵，那麼 gamma 大約是 (1/2) times n times epsilon，之所以有個二分之一，是因為兩根鍵的能量由你新造出的兩個表面共同分擔。金屬的 gamma 典型約 1 到 2 J/m^2；鍵結微弱的分子晶體則可能小得多。由最密堆積面構成的表面（每個原子斷鍵最少）能量最低，這就是為什麼晶體會以那些面作為外露的晶面來成長。

表面能是一大堆現象背後的驅動力：液滴變成球形（在給定體積下表面積最小的形狀）、細粉燒結、小顆粒在較低溫度就熔化、裂縫或成長或癒合。同樣一個量若用在固-固內部界面上，就叫晶界能，更廣義地說叫界面能。誠實提醒：對固體而言，表面能（來自斷鍵）和表面應力（來自拉伸一個已存在的表面）是兩個微妙不同的量，初學者常把它們混為一談；對液體來說，兩者恰好相等。