自由表面

每一個固體都會在某處終止，就在它與空氣或真空相接的地方。深埋在晶體內部的原子四面八方都被鄰居包圍，像牆正中央的一塊磚一樣緊實地鍵結著。但最外層皮膚上的原子就不一樣了：它一側有鄰居，另一側卻空無一物，於是它的鍵朝著空曠伸出，懸在那裡無人回應。那最外面一層、晶體就此結束而外界就此開始的地方，就是自由表面（free surface）。

自由表面是一種二維（面）缺陷，意思是它是攤在一個面上的缺陷，而不是點或線。它之所以存在，是因為原子週期性的堆疊在此被驟然切斷。表面原子的鄰居比內部原子少：例如在面心立方（FCC）金屬中，內部原子有 12 個最近鄰（配位數 12），但位於最密堆積 {111} 表面上的原子只有 9 個，因此有三根鍵被切斷、成了懸鍵（dangling bond）。這些未被滿足的鍵要付出能量代價，這正是每一個自由表面都帶有一份單位面積額外能量、稱為表面能（surface energy）的原因。

自由表面是幾乎所有化學反應發生的舞台：腐蝕、催化、氧化、黏著、晶體成長。因為斷鍵要花能量，材料會設法讓表面積最小，這就是為什麼小液滴呈球形、為什麼細粉在加熱時會彼此燒結相黏。誠實提醒：自由表面是一種理想化。在真實空氣中，表面會在瞬間就被吸附的氣體、水氣或氧化膜覆蓋，因此真正乾淨的自由表面只存在於超高真空中。