Наука о поверхности - это изучение физических и химических явлений, которые происходят на границе раздела двух фаз , включая границы раздела твердое тело - жидкость, границы раздела твердое тело - газ, границы раздела твердое тело - вакуум и границы раздела жидкость - газ . Она включает в себя поля поверхностной химии и физики поверхности . [1] Некоторые связанные практические приложения классифицируются как инженерия поверхности . Наука включает такие понятия, как гетерогенный катализ ,изготовление полупроводниковых приборов , топливные элементы , самособирающиеся монослои и клеи . Наука о поверхности тесно связана с наукой о границах раздела и коллоидной наукой . [2] Межфазная химия и физика являются общими предметами для обоих. Методы разные. Кроме того, интерфейс и коллоидная наука изучают макроскопические явления, которые происходят в гетерогенных системах из-за особенностей интерфейсов.
История
Область химии поверхности началась с гетерогенного катализа, впервые примененного Полом Сабатье в процессе гидрирования и Фрицем Габером в процессе Габера . [3] Ирвинг Ленгмюр был также одним из основателей этой области, и научный журнал по науке о поверхности Langmuir носит его имя. Уравнение адсорбции Ленгмюра используется для моделирования однослойной адсорбции, где все участки поверхностной адсорбции имеют одинаковое сродство к адсорбирующим частицам и не взаимодействуют друг с другом. Герхард Эртль в 1974 году впервые описал адсорбцию водорода на поверхности палладия с использованием нового метода, получившего название LEED . [4] Аналогичные исследования с платиной , [5] никеля , [6] [7] и железо [8] с последующим. Новые разработки в области поверхностных наук включают в 2007 Нобелевскую премию по химии победитель Эртль продвижений «s в химии поверхности, в частности его исследование взаимодействия между молекулами окиси углерода и платиновых поверхностей.
Химия
Химию поверхности можно приблизительно определить как изучение химических реакций на границах раздела. Это тесно связано с инженерией поверхности , которая направлена на изменение химического состава поверхности путем включения выбранных элементов или функциональных групп, которые производят различные желаемые эффекты или улучшения свойств поверхности или интерфейса. Наука о поверхности имеет особое значение для областей гетерогенного катализа , электрохимии и геохимии .
Катализ
Адгезия молекул газа или жидкости к поверхности называется адсорбцией . Это может быть связано либо с хемосорбцией, либо с физической сорбцией , и сила молекулярной адсорбции на поверхности катализатора критически важна для его характеристик (см. Принцип Сабатье ). Однако эти явления трудно исследовать на реальных частицах катализатора, которые имеют сложную структуру. Вместо этого в качестве модельных катализаторов часто используются четко определенные поверхности монокристаллов каталитически активных материалов, таких как платина . Системы из многокомпонентных материалов используются для изучения взаимодействия между каталитически активными металлическими частицами и поддерживающими оксидами; они производятся путем выращивания ультратонких пленок или частиц на поверхности монокристалла. [9]
Отношения между составом, структурой и химическим поведением этих поверхностей исследованы с использованием сверхвысокого вакуума техники, в том числе адсорбции и температурно-программируемой десорбции молекул, сканирующей туннельной микроскопии , низкой энергии дифракции электронов и оже - электронной спектроскопии . Результаты могут быть введены в химические модели или использованы для рациональной разработки новых катализаторов. Механизмы реакции также можно прояснить благодаря точности измерений поверхности в атомном масштабе. [10]
Электрохимия
Электрохимия - это изучение процессов, управляемых приложенным потенциалом на границе твердое тело-жидкость или жидкость-жидкость. На поведение границы раздела электрод-электролит влияет распределение ионов в жидкой фазе рядом с границей раздела, образующей двойной электрический слой . Адсорбцию и десорбцию можно изучать на атомно-плоских монокристаллических поверхностях в зависимости от приложенного потенциала, времени и условий раствора с помощью спектроскопии, сканирующей зондовой микроскопии [11] и поверхностного рассеяния рентгеновских лучей . [12] [13] Эти исследования связывают традиционные электрохимические методы, такие как циклическая вольтамперометрия, с прямыми наблюдениями за межфазными процессами.
Геохимия
Геологические явления, такие как круговорот железа и загрязнение почвы , контролируются границами раздела между минералами и окружающей их средой. Структура атомного масштаба и химические свойства интерфейсов минерального раствора исследованы с помощью In Situ синхротронное методов рентгеновской таких как коэффициента отражения рентгеновских лучей , рентгеновских стоячих волн , и рентгеновской абсорбционной спектроскопии , а также сканирующей зондовой микроскопии. Например, исследования адсорбции тяжелых металлов или актинидов на минеральных поверхностях выявляют детали адсорбции в молекулярном масштабе, что позволяет более точно предсказать, как эти загрязнители перемещаются через почвы [14] или нарушают естественные циклы растворения-осаждения. [15]
Физика
Физику поверхности можно приблизительно определить как изучение физических взаимодействий, происходящих на границах раздела. Это перекликается с химией поверхности. Некоторые из тем, изучаемых в физике поверхности, включают трение , поверхностные состояния , поверхностную диффузию , реконструкцию поверхности , поверхностные фононы и плазмоны , эпитаксию , эмиссию и туннелирование электронов, спинтронику и самосборку наноструктур на поверхностях. Методы исследования процессов на поверхности включают поверхностное рассеяние рентгеновских лучей , сканирующую зондовую микроскопию , рамановскую спектроскопию с усилением поверхности и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS) .
Методы анализа
Изучение и анализ поверхностей включает как физические, так и химические методы анализа.
Некоторые современные методы исследуют самые верхние 1–10 нм поверхности, подвергнутые воздействию вакуума. К ним относятся фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), электронная оже-спектроскопия (AES), дифракция низкоэнергетических электронов (LEED), спектроскопия потерь энергии электронов (EELS), термодесорбционная спектроскопия (TPD). , спектроскопия рассеяния ионов (ISS), масс-спектрометрия вторичных ионов , двухполяризационная интерферометрия и другие методы анализа поверхности, включенные в перечень методов анализа материалов . Многие из этих методов требуют вакуума, поскольку они основаны на обнаружении электронов или ионов, испускаемых с исследуемой поверхности. Более того, в общем случае сверхвысокий вакуум , в диапазоне давления 10 -7 паскаль или лучше, необходимо уменьшить поверхностное загрязнение остаточным газом за счет уменьшения количества молекул, достигающих образца в течение заданного периода времени. При парциальном давлении загрязняющего вещества 0,1 мПа (10 -6 торр) и стандартной температуре для покрытия поверхности монослоем загрязняющих веществ один к одному по отношению к поверхностным атомам требуется всего порядка 1 секунды, поэтому давление гораздо ниже. необходимо для измерений. Это определяется оценкой по порядку величины для (числа) удельной поверхности материалов и формулы скорости удара из кинетической теории газов .
Чисто оптические методы могут использоваться для изучения интерфейсов в самых разных условиях. Инфракрасное отражение-поглощение, интерферометрия с двойной поляризацией, спектроскопия комбинационного рассеяния с усилением поверхности и спектроскопия генерации суммарной частоты могут использоваться для исследования поверхностей твердое тело – вакуум, а также твердое тело – газ, твердое тело – жидкость и жидкость – газ. Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс работает на поверхностях твердое тело – газ, твердое тело – жидкость, жидкость – газ и может обнаруживать даже субнанометровые слои. [16] Он исследует кинетику взаимодействия, а также динамические структурные изменения, такие как коллапс липосом [17] или набухание слоев при различных значениях pH. Интерферометрия с двойной поляризацией используется для количественной оценки порядка и разрыва в двулучепреломляющих тонких пленках. [18] Это было использовано, например, для изучения образования липидных бислоев и их взаимодействия с мембранными белками.
Для характеристики поверхностей и границ раздела также используются методы рассеяния рентгеновских лучей и спектроскопии. Хотя некоторые из этих измерений могут быть выполнены с использованием лабораторных источников рентгеновского излучения , для многих требуется высокая интенсивность и возможность перестройки энергии синхротронного излучения . Рентгеновские стержни усечения кристаллов (CTR) и рентгеновские стоячие волны (XSW) измеряют изменения в поверхностных структурах и структурах адсорбата с разрешением ниже Ангстрема. Измерения тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей с протяженной поверхностью (SEXAFS) показывают координационную структуру и химическое состояние адсорбатов. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей при скользящем падении (GISAXS) позволяет определить размер, форму и ориентацию наночастиц на поверхности. [19] кристаллическая структура и текстура тонких пленок могут быть исследованы с помощью скользящего падения рентгеновской дифракции (GIXD, GIXRD).
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) - это стандартный инструмент для измерения химического состояния поверхностных частиц и обнаружения наличия поверхностных загрязнений. Поверхностная чувствительность достигается за счет обнаружения фотоэлектронов с кинетической энергией около 10-1000 эВ , которые имеют соответствующую неупругую длину свободного пробега всего в несколько нанометров. Этот метод был расширен для работы при давлении, близком к окружающему (XPS при атмосферном давлении, AP-XPS), чтобы исследовать более реалистичные границы раздела фаз газ-твердое тело и жидкость-твердое тело. [20] Выполнение XPS с жестким рентгеновским излучением на синхротронных источниках света дает фотоэлектроны с кинетической энергией в несколько кэВ (жесткая рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, HAXPES), что позволяет получить доступ к химической информации из скрытых границ раздела. [21]
Современные методы физического анализа включают сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и семейство методов, происходящих от нее, в том числе атомно-силовую микроскопию (АСМ). Эти микроскопии значительно расширили возможности и желание исследователей поверхности измерять физическую структуру многих поверхностей. Например, они позволяют отслеживать реакции на границе твердое тело – газ в реальном пространстве, если они протекают в масштабе времени, доступном для прибора. [22] [23]
Смотрите также
- Интерфейс (имеет значение)
- Зондовый силовой микроскоп Кельвина - Бесконтактный вариант атомно-силовой микроскопии
- Микромеритика
- Модификация поверхности биоматериалов белками
- Обработка поверхности
- Модификация поверхности
- Поверхностное явление
- Трибология - наука и техника взаимодействующих поверхностей в относительном движении.
Рекомендации
- ^ Пруттон, Мартин (1994). Введение в физику поверхности . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-853476-1.
- ^ Луклема, Дж. (1995–2005). Основы интерфейсной и коллоидной науки . 1–5 . Академическая пресса.
- ^ Веннерстрём, Хокан; Лидин, Свен. " Научные основы Нобелевской премии по химии 2007 г. Химические процессы на твердых поверхностях " (PDF) .
- ^ Конрад, H .; Эртл, Г .; Латта, Э. Э. (февраль 1974 г.). «Адсорбция водорода на поверхности монокристаллов палладия». Наука о поверхности . 41 (2): 435–446. Bibcode : 1974SurSc..41..435C . DOI : 10.1016 / 0039-6028 (74) 90060-0 .
- ^ Christmann, K .; Эртл, Г .; Пинье, Т. (февраль 1976 г.). «Адсорбция водорода на поверхности Pt (111)». Наука о поверхности . 54 (2): 365–392. Bibcode : 1976SurSc..54..365C . DOI : 10.1016 / 0039-6028 (76) 90232-6 .
- ^ Christmann, K .; Schober, O .; Эртл, Г .; Нойман, М. (1 июня 1974 г.). «Адсорбция водорода на поверхности монокристаллов никеля». Журнал химической физики . 60 (11): 4528–4540. Bibcode : 1974JChPh..60.4528C . DOI : 10.1063 / 1.1680935 .
- ^ Christmann, K .; Бем, Р.Дж.; Эртл, Г .; Ван Хов, Массачусетс; Вайнберг, WH (1 мая 1979 г.). «Хемосорбционная геометрия водорода на Ni (111): порядок и беспорядок». Журнал химической физики . 70 (9): 4168–4184. Bibcode : 1979JChPh..70.4168C . DOI : 10.1063 / 1.438041 .
- ^ Imbihl, R .; Бем, Р.Дж.; Christmann, K .; Эртл, Г .; Мацусима, Т. (2 мая 1982 г.). «Фазовые переходы двумерной хемосорбированной системы: H на Fe (110)». Наука о поверхности . 117 (1): 257–266. Bibcode : 1982SurSc.117..257I . DOI : 10.1016 / 0039-6028 (82) 90506-4 .
- ^ Фишер-Вольфарт, Ян-Хенрик; Фермер, Джейсон А .; Флорес-Камачо, Дж. Мануэль; Дженест, Александр; Юданов, Илья В .; Рёш, Ноткер; Кэмпбелл, Чарльз Т .; Шауэрманн, Светлана; Фройнд, Ханс-Иоахим (2010). «Зависимая от размера частиц теплота адсорбции CO на нанесенных наночастицах Pd, измеренная с помощью монокристаллического микрокалориметра». Physical Review B . 81 (24): 241416. Bibcode : 2010PhRvB..81x1416F . DOI : 10.1103 / PhysRevB.81.241416 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0011-29F8-F .
- ^ Левандовски, М .; Грут, ИМН; Шайхутдинов, С .; Freund, H.-J. (2012). «Сканирующая туннельная микроскопия свидетельствует о механизме типа Марса-ван Кревелена низкотемпературного окисления CO на пленке FeO (111) на Pt (111)». Катализ сегодня . 181 : 52–55. DOI : 10.1016 / j.cattod.2011.08.033 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0010-50F9-9 .
- ^ Гевирт, Эндрю А .; Племянница, Брайан К. (1997). "Электрохимические приложения сканирующей зондовой микроскопии". Химические обзоры . 97 (4): 1129–1162. DOI : 10.1021 / cr960067y . PMID 11851445 .
- ^ Надь, Золтан; Ты, Хойду (2002). «Приложения поверхностного рассеяния рентгеновских лучей к задачам электрохимии» . Electrochimica Acta . 47 (19): 3037–3055. DOI : 10.1016 / S0013-4686 (02) 00223-2 .
- ^ Грюндер, Ивонн; Лукас, Кристофер А. (01.11.2016). «Рентгеноструктурные исследования поверхности монокристаллических электрокатализаторов». Нано Энергия . 29 : 378–393. DOI : 10.1016 / j.nanoen.2016.05.043 . ISSN 2211-2855 .
- ^ Каталано, Джеффри Дж .; Парк, Чанъён; Фентер, Пол; Чжан, Чжань (2008). «Одновременная адсорбция арсената внутри и снаружи сферы на корунде и гематите». Geochimica et Cosmochimica Acta . 72 (8): 1986–2004. Bibcode : 2008GeCoA..72.1986C . DOI : 10.1016 / j.gca.2008.02.013 .
- ^ Сюй, человек; Коварик, Либор; Арей, Брюс В .; Фельми, Эндрю Р .; Россо, Кевин М .; Керисит, Себастьян (2014). «Кинетика и механизмы гетероэпитаксиального роста карбоната кадмия на поверхности кальцита» . Geochimica et Cosmochimica Acta . 134 : 221–233. DOI : 10.1016 / j.gca.2013.11.036 .
- ^ Юссила, Анри; Ян, Он; Гранквист, Нико; Вс, Чжипэй (5 февраля 2016 г.). "Поверхностный плазмонный резонанс для характеристики пленки графена с атомным слоем большой площади" . Optica . 3 (2): 151. Bibcode : 2016 Оптический ... 3..151J . DOI : 10.1364 / OPTICA.3.000151 .
- ^ Гранквист, Нико; Yliperttula, Marjo; Вялимяки, Салла; Пулккинен, Петри; Тенху, Хейкки; Виитала, Тапани (18 марта 2014 г.). «Контроль морфологии липидных слоев с помощью химии поверхности субстрата». Ленгмюра . 30 (10): 2799–2809. DOI : 10.1021 / la4046622 . PMID 24564782 .
- ^ Машаги, А; Суонн, М; Попплуэлл, Дж; Textor, M; Реймхульт, Э (2008). «Оптическая анизотропия поддерживаемых липидных структур, исследованная методом волноводной спектроскопии, и ее применение для изучения кинетики образования поддерживаемого липидного бислоя». Аналитическая химия . 80 (10): 3666–76. DOI : 10.1021 / ac800027s . PMID 18422336 .
- ^ Рено, Жиль; Лаццари, Реми; Леруа, Фредерик (2009). «Зондирование поверхности и морфологии границы раздела с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей при скользящем падении». Отчеты по науке о поверхности . 64 (8): 255–380. Bibcode : 2009SurSR..64..255R . DOI : 10.1016 / j.surfrep.2009.07.002 .
- ^ Блум, Хендрик; Хэвекер, Майкл; Кноп-Герике, Аксель; Кискинова, Майя; Шлёгль, Роберт; Салмерон, Микель (2007). "Исследования на месте с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии границ раздела газ-твердое тело в условиях, близких к окружающей среде" . Бюллетень МИССИС . 32 (12): 1022–1030. DOI : 10.1557 / mrs2007.211 .
- ^ Sing, M .; Berner, G .; Goß, K .; Мюллер, А .; Ruff, A .; Wetscherek, A .; Thiel, S .; Mannhart, J .; Pauli, SA; Шнайдер, CW; Уиллмотт, PR; Горгой, М .; Schäfers, F .; Клаессен, Р. (2009). «Профилирование межфазного электронного газа гетероструктур LaAlO3 / SrTiO3 с помощью жесткой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии». Письма с физическим обзором . 102 (17): 176805. arXiv : 0809.1917 . Bibcode : 2009PhRvL.102q6805S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.176805 . PMID 19518810 . S2CID 43739895 .
- ^ Wintterlin, J .; Völkening, S .; Янссенс, TVW; Zambelli, T .; Эртл, Г. (1997). «Атомные и макроскопические скорости реакции поверхностно-катализируемой реакции». Наука . 278 (5345): 1931–4. Bibcode : 1997Sci ... 278.1931W . DOI : 10.1126 / science.278.5345.1931 . PMID 9395392 .
- ^ Waldmann, T .; и другие. (2012). «Окисление органического адсорбента: взгляд с высоты птичьего полета». Журнал Американского химического общества . 134 (21): 8817–8822. DOI : 10.1021 / ja302593v . PMID 22571820 .
дальнейшее чтение
- Коласинский, Курт В. (30 апреля 2012 г.). Наука о поверхности: основы катализа и нанонауки (3-е изд.). Вайли. ISBN 978-1119990352.
- Аттард, Гэри; Барнс, Колин (январь 1998 г.). Поверхности . Oxford Chemistry Primers. ISBN 978-0198556862.
Внешние ссылки
- "Рам Рао" Материалы и наука о поверхности " , видео от Vega Science Trust
- Открытия химии поверхности
- Руководство по метрологии поверхности