Наука поверхности

Наука на поверхности - это изучение физических и химических явлений, которые встречаются на границе двух фаз , включая твердые - жидкие интерфейсы, интерфейсы с твердым , твердое - вакуумные интерфейсы и жидко -газовые газом интерфейсы. Он включает в себя поля химии поверхности и физики поверхности . [ 1 ] Некоторые связанные практические применения классифицируются как поверхностная инженерия . Наука охватывает такие понятия, как гетерогенный катализ , полупроводниковое изготовление , топливные элементы , самооборные монослои и клеевые . Наука на поверхности тесно связана с интерфейсом и коллоидной наукой . [ 2 ] Межфазная химия и физика являются общими предметами для обоих. Методы разные. интерфейса и коллоидных наук Кроме того, макроскопические явления , которые возникают в гетерогенных системах из -за особенностей интерфейсов.
История
[ редактировать ]Поле химии поверхности началось с гетерогенного катализа, впервые приведенного Полом Сабатье в отношении гидрирования и фриц -хабера на процессе хабера . [ 3 ] Ирвинг Ленгмур также был одним из основателей этой области, и научный журнал о Surface Science, Langmuir , носит его имя. Уравнение адсорбции Langmuir используется для моделирования монослойной адсорбции, где все сайты адсорбции поверхности имеют одинаковую сродство к адсорбирующим видам и не взаимодействуют друг с другом. Герхард Эртл в 1974 году впервые описал адсорбцию водорода на поверхности палладия с использованием новой техники, называемой LEED . [ 4 ] Подобные исследования с платиной , [ 5 ] никель , [ 6 ] [ 7 ] и железо [ 8 ] следовал. Самые последние разработки в области наук о поверхности включают Нобелевскую премию по химии 2007 года Эртла Герхарда в области химии поверхности, в частности, Его исследование взаимодействия между монооксидными молекулами углерода и платиновыми поверхностями.
Химия
[ редактировать ]Химия поверхности может быть примерно определен как изучение химических реакций на интерфейсах. Он тесно связан с инженерией поверхности , которая направлена на изменение химического состава поверхности путем включения выбранных элементов или функциональных групп , которые дают различные желаемые эффекты или улучшения в свойствах поверхности или границы раздела. Наука на поверхности имеет особое значение для областей гетерогенного катализа , электрохимии и геохимии .
Катализ
[ редактировать ]Адгезия молекул газа или жидкости к поверхности известна как адсорбция . Это может быть связано либо с хемосорбцией , либо с физикой , а прочность молекулярной адсорбции на поверхность катализатора критически важна для эффективности катализатора (см. Принцип Сабатье ). Тем не менее, трудно изучить эти явления в реальных частицах катализатора, которые имеют сложные структуры. Вместо этого, четко определенные монокристаллические поверхности каталитически активных материалов, таких как платина, часто используются в качестве модельных катализаторов. Многокомпонентные системы материалов используются для изучения взаимодействия между каталитически активными частицами металлов и поддерживающими оксидами; Они создаются путем растущих ультратонких пленок или частиц на монокристаллической поверхности. [ 9 ]
Взаимосвязь между композицией, структурой и химическим поведением этих поверхностей изучается с использованием сверхвысоких вакуумных методов, включая адсорбцию и программируемую температуру десорбцию молекул, сканирующую туннельную микроскопию , низкоэнергетическую дифракцию и электронную спектроскопию . Результаты могут быть поданы в химические модели или использовать для рационального дизайна новых катализаторов. Механизмы реакции также могут быть уточнены из-за точности атомного масштаба измерений поверхностной науки. [ 10 ]
Электрохимия
[ редактировать ]Электрохимия-это изучение процессов, управляемых применяемым потенциалом на границе с твердым жидкостью или жидкостью. На поведение границы раздела электрод-электролита влияет распределение ионов в жидкой фазе рядом с границей, образующим электрический двойной слой . События адсорбции и десорбции могут быть изучены на атомически плоских монукристаллических поверхностях как функция приложенного потенциала, времени и условий раствора с использованием спектроскопии, сканирующей микроскопии зонда [ 11 ] и поверхностное рентгеновское рассеяние . [ 12 ] [ 13 ] Эти исследования связывают традиционные электрохимические методы, такие как циклическая вольтамперометрия, с прямыми наблюдениями межфазных процессов.
Геохимия
[ редактировать ]Геологические явления, такие как цикл железа и загрязнение почвы, контролируются интерфейсами между минералами и их окружающей средой. Структура атомного масштаба и химические свойства интерфейсов минеральной сети изучаются с использованием in situ, рентгеновских рентгеновских методов таких как рентгеновская отражательная способность , рентгеновские волны и рентгеновская спектроскопия поглощения , а также сканирующая микроскопия. Например, исследования адсорбции тяжелых металлов или актинидов на минеральных поверхностях показывают детали адсорбции молекулярно [ 14 ] или разрушить естественные циклы препарата растворения. [ 15 ]
Физика
[ редактировать ]Физика поверхности может быть примерно определена как изучение физических взаимодействий, которые происходят на интерфейсах. Он перекрывается с химией поверхности. Некоторые из тем, изученных в физике поверхности, включают трение , поверхностные состояния , поверхностную диффузию , поверхностную реконструкцию , поверхностные фононы и плазмоны , эпитаксию , излучение и туннелирование электронов, спинтронику и самооборку наноструктур на поверхностях. Методы для исследования процессов на поверхностях включают поверхностное рассеяние рентгеновского излучения , сканирующую микроскопию зонда , поверхностную спектроскопию комбинационного рассеяния и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия .
Методы анализа
[ редактировать ]Исследование и анализ поверхностей включает в себя как методы физического, так и химического анализа.
Несколько современных методов исследуют самые верхние 1–10 нм поверхностей , подвергшихся воздействию вакуума. These include angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Auger electron spectroscopy (AES), low-energy electron diffraction (LEED), electron energy loss spectroscopy (EELS), thermal desorption spectroscopy (TPD) , спектроскопия рассеяния ионов (ISS), вторичная ионная масс-спектрометрия , интерферометрия с двойной поляризацией и другие методы анализа поверхности, включенные в список методов анализа материалов . Многие из этих методов требуют вакуума, так как они полагаются на обнаружение электронов или ионов, выпускаемых с изучаемой поверхности. Более того, в целом сверхвысокий вакуум , в диапазоне 10 −7 Паскальное давление или лучше, необходимо уменьшить загрязнение поверхности за счет остаточного газа путем уменьшения количества молекул, достигающих образца в течение определенного периода времени. При 0,1 МПа (10 −6 Торр) Парциальное давление загрязняющих веществ и стандартной температуры , он требует только порядка 1 секунды, чтобы покрыть поверхность монослоем загрязняющих веществ за загрязнение на поверхностные атомы, что для измерений необходимы так много более низких давлений. Это обнаруживается по оценке порядка величины для (численной) конкретной площади поверхности материалов и формулы скорости удара от кинетической теории газов .
Чисто оптические методы могут быть использованы для изучения интерфейсов в самых разных условиях. Инфракрасная инфракрасная, двойная поляризационная интерферометрия, поверхностная спектроскопия рамановской спектроскопии , и спектроскопия с частотой сумм может использоваться для исследования твердого вещества, а также поверхностей твердого твердого оформления, сплошной и жидкости-GAS. Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс работает на твердых-газовых поверхностях, твердых, жидкости-газовых поверхностях и может обнаружить даже субнанометровые слои. [ 16 ] Он исследует кинетику взаимодействия, а также динамические структурные изменения, такие как коллапс липосом [ 17 ] или отек слоев в разных pH. Интерферометрия с двойной поляризацией используется для количественной оценки порядка и нарушения в двуметровых тонких пленках. [ 18 ] Это было использовано, например, для изучения образования липидных бислоев и их взаимодействия с мембранными белками.
Акустические методы, такие как микробаланс кристаллического кристалза с мониторингом диссипации , используются для измерения по времени разрешенных по времени раздела твердого вакуума, твердого газа и твердого жидкости. Метод позволяет анализировать взаимодействия молекулярно-поверхности, а также структурные изменения и вязкоупругие свойства AdLayer.
Методы рентгеновского рассеяния и спектроскопии также используются для характеристики поверхностей и интерфейсов. В то время как некоторые из этих измерений могут быть выполнены с использованием лабораторных рентгеновских источников , многие требуют высокой интенсивности и энергии синхротронного излучения . Рентгеновские стержни усечения кристаллов (CTR) и измерения рентгеновских измерений (XSW) Измерения зонда изменяются в поверхностных и адсорбатных структурах с разрешением под-венгстр. Увеличенная поверхностная рентгеновская поглощение измерения тонкой структуры (SEXAFS) выявляет координационную структуру и химическое состояние адсорбатов. Уравновешивание пастбища небольшое угловое рентгеновское рассеяние (GISAXS) дает размер, форму и ориентацию наночастиц на поверхностях. [ 19 ] Кристаллическая структура и текстура тонких пленок могут быть исследованы с использованием рентгеновской дифракции высаживания-инцифрования (GIXD, GIXRD).
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) является стандартным инструментом для измерения химических состояний поверхностных видов и для обнаружения присутствия поверхностного загрязнения. Чувствительность поверхности достигается путем обнаружения фотоэлектронов с кинетическими энергиями около 10-1000 эВ , которые имеют соответствующие неэластичные средние свободные пути всего несколько нанометров. Этот метод была расширена для работы при давлениях почти амбиента (давление окружающей среды, XPS, AP-XPS), чтобы исследовать более реалистичные газовые и жидко-солидные интерфейсы. [ 20 ] Выполнение XPS с жесткими рентгеновскими лучами в источниках синхротронного света дает фотоэлектроны с кинетическими энергиями нескольких кеВ (жесткая фотоэлектронная спектроскопия рентгеновских лучей, Haxpes), обеспечивая доступ к химической информации из похороненных интерфейсов. [ 21 ]
Современные методы физического анализа включают в себя микроскопию сканирующего туннелизации (STM) и спуск методов, в том числе атомную силовую микроскопию (AFM). Эти микроскопии значительно увеличили способность и желание ученых -поверхности измерить физическую структуру многих поверхностей. Например, они позволяют следовать реакциям на границе с твердым и газом в реальном пространстве, если они проходят по шкале времени, доступной для инструмента. [ 22 ] [ 23 ]
Смотрите также
[ редактировать ]- Интерфейс (материя) - граница между объемами вопроса различных типов или состояний
- Кельвинский зондский силовой микроскоп - бесконтактный вариант атомной силовой микроскопии
- Микромеритика - наука и технология мелких частиц
- Поверхностная модификация биоматериалов с белками
- Отделка поверхности - диапазон процессов, которые изменяют поверхность элемента для достижения определенного свойства
- Модификация поверхности - акт модификации поверхности материала
- Поверхностное явление - изучение физических и химических явлений, которые встречаются на границе двух фаз
- Трибология - наука и инженерия взаимодействующих поверхностей в относительном движении
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Пруттон, Мартин (1994). Введение в физику поверхности . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-853476-1 .
- ^ Luklema, J. (1995–2005). Основы интерфейса и коллоидной науки . Тол. 1–5. Академическая пресса.
- ^ Wennerström, Håkan; Лидин, Свен. « Научный опыт Нобелевской премии по химии 2007 года химических процессов на твердых поверхностях » (PDF) .
- ^ Conrad, H.; ERTL, G .; Латта, EE (февраль 1974 г.). «Адсорбция водорода на монокристаллических поверхностях палладия». Наука поверхности . 41 (2): 435–446. Bibcode : 1974sursc..41..435c . doi : 10.1016/0039-6028 (74) 90060-0 .
- ^ Кристманн, К.; ERTL, G .; Pignet, T. (февраль 1976 г.). «Адсорбция водорода на поверхности PT (111)». Наука поверхности . 54 (2): 365–392. Bibcode : 1976sursc..54..365c . doi : 10.1016/0039-6028 (76) 90232-6 .
- ^ Кристманн, К.; Schober, O.; ERTL, G .; Нейман, М. (1 июня 1974 г.). «Адсорбция водорода на никелевых монокристаллических поверхностях». Журнал химической физики . 60 (11): 4528–4540. Bibcode : 1974jchph..60.4528c . doi : 10.1063/1.1680935 .
- ^ Кристманн, К.; Behm, RJ; ERTL, G .; Ван Хоув, Массачусетс; Weinberg, WH (1 мая 1979 г.). «Геометрия хемосорбции водорода на Ni (111): порядок и расстройство». Журнал химической физики . 70 (9): 4168–4184. Bibcode : 1979jchph..70.4168c . doi : 10.1063/1.438041 .
- ^ Imbihl, R.; Behm, RJ; Кристманн, К.; ERTL, G .; Мацусима, Т. (2 мая 1982 г.). «Фазовые переходы двухмерной химиоорбированной системы: H на Fe (110)». Наука поверхности . 117 (1): 257–266. Bibcode : 1982sursc.117..257i . doi : 10.1016/0039-6028 (82) 90506-4 .
- ^ Фишер-Волфарт, Ян-Хенрик; Фермер, Джейсон А.; Флорес-Камачо, Дж. Мануэль; Genest, Александр; Юданов, Илья В.; Rösch, Notker; Кэмпбелл, Чарльз Т.; Шауэрманн, Светлана; Фрейнд, Ханс-Йоахим (2010). «Зависимые от размера частиц тепло адсорбции CO на поддерживаемых наночастицах PD, измеренные с помощью однокристаллического микрокалориметра». Физический обзор б . 81 (24): 241416. Bibcode : 2010 phrvb..81x1416f . doi : 10.1103/physrevb.81.241416 . HDL : 11858/00-001M-0000-0011-29F8-F .
- ^ Lewandowski, M.; Groot, Imn; Shaikhutdinov, S.; Фрейнд, Х.-Дж. (2012). «Сканирующая туннельная микроскопия доказательства для механизма типа Марса-ван Кревелена низкотемпературного окисления СО 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 применения в микроскопии зонда SITU » . Химические обзоры . 97 (4): 1129–1162. doi : 10.1021/cr960067y . PMID 11851445 .
- ^ Надь, Золтан; Вы, Хойду (2002). «Применение поверхностного рентгеновского рассеяния к проблемам электрохимии» . Электрохимика Акта . 47 (19): 3037–3055. doi : 10.1016/s0013-4686 (02) 00223-2 .
- ^ Грюндер, Ивонн; Лукас, Кристофер А. (2016-11-01). «Поверхностная рентгеновская дифракционная исследования монокристаллических электрокатализаторов» . Нано энергия . 29 : 378–393. doi : 10.1016/j.nanoen.2016.05.043 . ISSN 2211-2855 .
- ^ Каталано, Джеффри Дж.; Парк, Чаньонг; Фентер, Пол; Чжан, Чжан (2008). «Одновременная адсорбция арсената внутреннего и наружного сферы на корундуме 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; Аре, Брюс В.; Фелми, Эндрю Р.; Россо, Кевин М.; Керизит, Себастьен (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; Солнце, Чипей (5 февраля 2016 г.). «Поверхностный плазмонный резонанс для характеристики графеновой пленки с атомным слоем крупной области» . Optica . 3 (2): 151. Bibcode : 2016optic ... 3..151j . doi : 10.1364/optica.3.000151 .
- ^ Гранквист, Нико; Yliperttula, Marjo; Välimäki, Salla; Путоккинен, Петри; Тенху, Хейкки; Viitala, Tapani (18 марта 2014 г.). «Контроль морфологии липидных слоев с помощью химии поверхности субстрата». Langmuir . 30 (10): 2799-2809. Doi : 10.1021/la4046622 . PMID 24564782 .
- ^ Машаги, а; Сванн, м; Popplewell, J; Тектор, м; Reimhult, E (2008). «Оптическая анизотропия поддерживаемых липидных структур, расследовавших с помощью волновой спектроскопии, и ее применения для изучения поддерживаемой кинетики формирования бислои липидного бислоя». Аналитическая химия . 80 (10): 3666–76. doi : 10.1021/ac800027s . PMID 18422336 .
- ^ Рено, Жиль; Лаззари, Реми; Лерой, Фредерик (2009). «Морфология зондирования и границ раздела с пастбищностью. Surface Science Reports . 64 (8): 255–380. Bibcode : 2009sursr..64..255r . doi : 10.1016/j.surfrep.2009.07.002 .
- ^ Bluhm, Hendrik; Hävecker, Michael; Knop-Gericke, Axel; Кискинава, Майя; Schlögl, Robert; Salmeron, Miquel (2007). «In situ рентгеновские фотоэлектронные спектроскопические исследования газо-твердого интерфейсов в близких условиях окружающей среды» . Миссис Бюллетена . 32 (12): 1022-1030. Doi : 10.1557/mrs2007.211 . S2CID 55577979 .
- ^ Петь, м.; Berner, G.; Gois, K.; Мюллер, А.; Руфф, А.; Wetscherek, A.; Thiel, S.; Mannhart, J.; Паули, СА; Schneider, CW; Willmott, PR; Gorgoi, M.; Schäfers, F.; Claessen, R. (2009). «Профилирование интерфейсного электронного газа OFLAALO3/SRTIO3HeteroStructures с жесткой фотоэлектронной спектроскопией рентгеновских лучей». Письма о физическом обзоре . 102 (17): 176805. Arxiv : 0809.1917 . BIBCODE : 2009 PHRVL.102Q6805S . doi : 10.1103/physrevlett.102.176805 . PMID 19518810 . S2CID 43739895 .
- ^ Wintterlin, J.; Völkening, S.; Janssens, TVW; Замбелли, Т.; ERTL, G. (1997). «Атомные и макроскопические скорости реакции реакции, катализируемой поверхности». Наука . 278 (5345): 1931–4. Bibcode : 1997sci ... 278.1931W . doi : 10.1126/science.278.5345.1931 . PMID 9395392 .
- ^ Waldmann, T.; и др. (2012). «Окисление органического Adlayer: вид птичьего глаза». Журнал Американского химического общества . 134 (21): 8817–8822. doi : 10.1021/ja302593v . PMID 22571820 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Kolasinski, Kurt W. (2012-04-30). Наука на поверхности: основы катализа и нанонауки (3 изд.). Уайли. ISBN 978-1119990352 .
- Аттард, Гэри; Барнс, Колин (январь 1998). Поверхности . Оксфордские химии праймеры. ISBN 978-0198556862 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- «Материалы Ram Rao и Surface Science» , видео из Vega Science Trust
- Открытия химии поверхности
- Руководство по метрологии поверхности