Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для журнала см. Surface Science (журнал) .
СТМ- изображение адсорбата хинакридона . В самоорганизующихся супрамолекулярных цепях органического полупроводника адсорбируются на графитовую поверхность.

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 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 [ править ]

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 г. впервые описал адсорбцию водорода наповерхность палладия с использованием новой технологии, называемой 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[ редактировать ]

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 [ править ]

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 четко очерченные монокристаллические поверхности каталитически активных материалов, таких как платиначасто используются в качестве модельных катализаторов. 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 [ править ]

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 [ править ]

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 тяжелых металлов или актинидовадсорбция на минеральные поверхности выявляет 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[ редактировать ]

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 поверхностях включают в себя поверхностное рассеяние рентгеновских лучей , сканирующую зондовую микроскопию и др.Рамановская спектроскопия с усилением поверхности и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) .

Методы анализа [ править ]

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 , интерферометрия с двойной поляризацией и другие методы анализа поверхности, включенные в список 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 по порядку величины для (числа) удельной поверхностиматериалов и формула 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 разном 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 настройки 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) выявляют координационную структуру и химическое состояние адсорбатов. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей при скользящем падении (GISAXS) позволяет определить размер, форму и ориентациюнаночастицы 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]

См. Также [ править ]

  • 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.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Пруттон, Мартин (1994). Введение в физику поверхности . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-853476-1.
  2. ^ Luklema, J. (1995-2005). Основы интерфейсной и коллоидной науки . 1–5 . Академическая пресса.
  3. ^ Веннерстрём, Хокан; Лидин, Свен. " Научные основы Нобелевской премии по химии 2007 г. Химические процессы на твердых поверхностях " (PDF) .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ Гевирт, Эндрю А .; Племянница, Брайан К. (1997). "Электрохимические приложения сканирующей зондовой микроскопии". Химические обзоры . 97 (4): 1129–1162. DOI : 10.1021 / cr960067y . PMID 11851445 . 
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 . 
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 . 
  18. ^ 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 . 
  19. ^ Рено, Жиль; Лаццари, Реми; Леруа, Фредерик (2009). «Зондирование поверхности и морфологии границ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 .  
  22. ^ 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 . 
  23. ^ Вальдманн, Т .; 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 [ править ]

  • 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 [ править ]

  • "Рам Рао Материалы и наука о поверхности" , видео от Vega Science Trust
  • Открытия химии поверхности
  • Руководство по метрологии поверхности