Наука о поверхности
Наука о поверхности — это изучение физических и химических явлений, которые происходят на границе раздела двух фаз , включая границы твердого тела и жидкости , границы твердого тела и газа , границы твердого тела и вакуума и границы раздела жидкость — газ . Он включает в себя области химии поверхности и физики поверхности . [1] Некоторые связанные с этим практические применения классифицируются как инженерия поверхности . Наука охватывает такие понятия, как гетерогенный катализ , производство полупроводниковых приборов , топливные элементы , самоорганизующиеся монослои и клеи . Наука о поверхности тесно связана с наукой о интерфейсах и коллоидах . [2] Межфазная химия и физика являются общими предметами для обоих. Методы разные. Кроме того, наука о границах и коллоидах изучает макроскопические явления , возникающие в гетерогенных системах из-за особенностей границ раздела.
История [ править ]
Область химии поверхности началась с гетерогенного катализа, впервые разработанного Полем Сабатье по гидрированию и Фрицем Габером по процессу Габера . [3] Ирвинг Ленгмюр также был одним из основателей этой области, и его имя носит научный журнал по наукам о поверхности «Лэнгмюр ». используется Уравнение адсорбции Ленгмюра для моделирования монослойной адсорбции, при которой все центры поверхностной адсорбции имеют одинаковое сродство к адсорбирующим веществам и не взаимодействуют друг с другом. Герхард Эртль в 1974 году впервые описал адсорбцию водорода на поверхности палладия с использованием нового метода под названием LEED . [4] Подобные исследования с платиной , [5] никель , [6] [7] и железо [8] последовал. К последним достижениям в области наук о поверхности относятся Нобелевской премии по химии лауреата 2007 года Герхарда Эртля достижения в области химии поверхности, в частностиего исследование взаимодействия молекул угарного газа с поверхностями платины.
Химия [ править ]
Химию поверхности можно грубо определить как исследование химических реакций на границах раздела. Это тесно связано с инженерией поверхности , целью которой является 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 известна как адсорбция . Это может быть связано либо с хемосорбцией , либо с физической адсорбцией , а сила молекулярной адсорбции на поверхности катализатора критически важна для производительности катализатора (см. Принцип Сабатье ). Однако исследование этих явлений на реальных частицах катализаторов, имеющих сложную структуру, затруднительно. четко определенные монокристаллические поверхности каталитически активных материалов, таких как платина Вместо этого в качестве модельных катализаторов часто используются . Системы многокомпонентных материалов используются для изучения взаимодействия каталитически активных частиц металлов с поддерживающими оксидами; они производятся путем выращивания ультратонких пленок или частиц на поверхности монокристалла. [9]
Взаимосвязь между составом, структурой и химическим поведением этих поверхностей изучается с использованием сверхвысокого вакуума методов , включая адсорбцию и температурно-программированную десорбцию молекул, сканирующую туннельную микроскопию , дифракцию низкоэнергетических электронов и оже-электронную спектроскопию . Результаты можно использовать в химических моделях или использовать для рациональной разработки новых катализаторов. Механизмы реакции также могут быть разъяснены благодаря точности измерений в области науки о поверхности на атомном уровне. [10]
Электрохимия [ править ]
Электрохимия — это изучение процессов, происходящих под действием приложенного потенциала на границе раздела твердое тело-жидкость или жидкость-жидкость. На поведение границы раздела электрод-электролит влияет распределение ионов в жидкой фазе рядом с границей раздела, образуя двойной электрический слой . События адсорбции и десорбции можно изучать на атомно-плоских поверхностях монокристаллов в зависимости от приложенного потенциала, времени и условий растворения с помощью спектроскопии и сканирующей зондовой микроскопии. [11] и поверхностное рассеяние 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 средой. Структура атомного масштаба и химические свойства границ раздела минерал-раствор изучаются с использованием in situ, методов синхротронного рентгеновского излучения таких как отражательная способность рентгеновских лучей , стоячие рентгеновские волны и рентгеновская абсорбционная спектроскопия , а также сканирующая зондовая микроскопия. Например, исследования адсорбции тяжелых металлов или актинидов на минеральных поверхностях выявляют детали адсорбции на молекулярном уровне, что позволяет более точно прогнозировать, как эти загрязнители перемещаются через почву. [14] или нарушить естественные циклы растворения-осаждения. [15]
Физика [ править ]
Физику поверхности можно грубо определить как исследование физических взаимодействий, происходящих на границах разделов. Это пересекается с химией поверхности. Некоторые из тем, исследуемых 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 поверхностное рентгеновское рассеяние , сканирующую зондовую микроскопию , рамановскую спектроскопию с усилением поверхности и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию .
Методы анализа [ править ]
Исследование и анализ поверхностей включает в себя методы как физического, так и химического анализа.
Несколько современных методов исследуют самые верхние 1–10 нм поверхностей , подвергающихся 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 , двуполяризационная 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 исследуемой поверхностью. Причем вообще сверхвысокий вакуум , в пределах 10 −7 паскаля или выше, необходимо уменьшить загрязнение поверхности остаточным газом за счет уменьшения количества молекул, достигающих образца за определенный период времени. При 0,1 МПа (10 −6 Торр) парциальное давление примеси и стандартная температура , требуется всего лишь порядка 1 секунды, чтобы покрыть поверхность монослоем примеси, равным атомам поверхности, один к одному, поэтому для измерений необходимы гораздо более низкие давления. Это находится с помощью оценки порядка величины (числа) удельной поверхности материалов и формулы скорости столкновения из кинетической теории газов .
Чисто оптические методы можно использовать для изучения интерфейсов в самых разных условиях. Инфракрасное излучение с отражением-поглощением, интерферометрия с двойной поляризацией, рамановская спектроскопия с усилением поверхности и спектроскопия генерации суммарной частоты могут использоваться для исследования поверхностей твердое тело-вакуум, а также поверхности 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 двойной поляризации используется для количественной оценки порядка и нарушений в тонких пленках с двойным лучепреломлением. [18] Это использовалось, например, для изучения образования липидных бислоев и их взаимодействия с мембранными белками.
Акустические методы, такие как кварцевые микровесы с контролем рассеяния , используются для измерений с временным разрешением на границах раздела твердое тело-вакуум, твердое тело-газ и твердое тело-жидкость. Метод позволяет анализировать взаимодействие молекул с поверхностью, а также структурные изменения и вязкоупругие свойства адслоя.
Методы рентгеновского рассеяния и спектроскопии также используются для характеристики поверхностей и интерфейсов. Хотя некоторые из этих измерений можно выполнить с использованием лабораторных источников рентгеновского излучения , многие из них требуют высокой интенсивности и возможности настройки энергии синхротронного излучения . Рентгеновские кристаллические усеченные стержни (CTR) и рентгеновские стоячие волны (XSW) исследуют изменения в поверхностных и адсорбирующих структурах с разрешением субангстрема. Измерения тонкой структуры рентгеновского поглощения с расширением поверхности (SEXAFS) позволяют выявить координационную структуру и химическое состояние адсорбатов. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей со скользящим падением (GISAXS) позволяет определить размер, форму и ориентацию наночастиц на поверхностях. [19] Кристаллическую структуру и текстуру тонких пленок можно исследовать с помощью рентгеновской дифракции скользящего падения (GIXD, GIXRD).
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) — стандартный инструмент для измерения химического состояния поверхностных частиц и обнаружения наличия поверхностного загрязнения. Поверхностная чувствительность достигается за счет обнаружения фотоэлектронов с кинетической энергией около 10-1000 эВ , которые имеют соответствующую неупругую длину свободного пробега всего несколько нанометров. Этот метод был расширен для работы при давлениях, близких к атмосферному (XPS при атмосферном давлении, AP-XPS), для исследования более реалистичных границ раздела газ-твердое тело и жидкость-твердое тело. [20] Выполнение XPS с жестким рентгеновским излучением на источниках синхротронного света дает фотоэлектроны с кинетической энергией в несколько кэВ (жесткая рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, HAXPES), что обеспечивает доступ к химической информации со скрытых интерфейсов. [21]
Современные методы физического анализа включают сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и семейство произошедших от нее методов, в том числе атомно-силовую микроскопию (АСМ). Эти микроскопы значительно расширили возможности и желание учёных-поверхностников измерять физическую структуру многих поверхностей. Например, они позволяют следить за реакциями на границе твердого тела и газа в реальном пространстве, если они протекают во временном масштабе, доступном прибору. [22] [23]
См. также [ править ]
- Интерфейс (материя) - Граница между объемами материи разных типов или состояний.
- Зондовый силовой микроскоп Кельвина - бесконтактный вариант атомно-силовой микроскопии.
- Микромеритика - Наука и технология малых частиц
- Модификация поверхности биоматериалов белками
- Обработка поверхности - ряд процессов, которые изменяют поверхность предмета для достижения определенных свойств.
- Модификация поверхности - Акт изменения поверхности материала.
- Поверхностное явление - исследование физических и химических явлений, происходящих на границе двух фаз.
- Трибология - наука и техника взаимодействующих поверхностей в относительном движении.
Ссылки [ править ]
- ^ Пруттон, Мартин (1994). Введение в физику поверхности . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-853476-1 .
- ^ Луклема, Дж. (1995–2005). Основы интерфейсов и коллоидной науки . Том. 1–5. Академическая пресса.
- ^ Веннерстрем, Хокан; Лидин, Свен. « Научное обоснование Нобелевской премии по химии 2007 г. Химические процессы на твердых поверхностях » (PDF) .
- ^ Конрад, Х.; Эртль, Г .; Латта, Э.Э. (февраль 1974 г.). «Адсорбция водорода на поверхности монокристаллов палладия». Поверхностная наука . 41 (2): 435–446. Бибкод : 1974SurSc..41..435C . дои : 10.1016/0039-6028(74)90060-0 .
- ^ Кристманн, К.; Эртль, Г .; Пинье, Т. (февраль 1976 г.). «Адсорбция водорода на поверхности Pt (111)». Поверхностная наука . 54 (2): 365–392. Бибкод : 1976SurSc..54..365C . дои : 10.1016/0039-6028(76)90232-6 .
- ^ Кристманн, К.; Шобер, О.; Эртль, Г .; Нойманн, М. (1 июня 1974 г.). «Адсорбция водорода на поверхности монокристаллов никеля». Журнал химической физики . 60 (11): 4528–4540. Бибкод : 1974JChPh..60.4528C . дои : 10.1063/1.1680935 .
- ^ Кристманн, К.; Бем, Р.Дж.; Эртль, 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. Бибкод : 1979JChPh..70.4168C . дои : 10.1063/1.438041 .
- ^ Имбил, Р.; Бем, Р.Дж.; Кристманн, К.; Эртль, Г .; Мацусима, Т. (2 мая 1982 г.). «Фазовые переходы двумерной хемосорбированной системы: H на Fe (110)». Поверхностная наука . 117 (1): 257–266. Бибкод : 1982SurSc.117..257I . дои : 10.1016/0039-6028(82)90506-4 .
- ^ Фишер-Вольфарт, Ян-Хенрик; Фармер, Джейсон А.; Флорес-Камачо, Х. Мануэль; Женест, Александр; Юданов Илья В.; Рёш, Ноткер; Кэмпбелл, Чарльз Т.; Шауэрманн, Светлана; Фройнд, Ханс-Иоахим (2010). «Тепло адсорбции CO на нанесенных наночастицах Pd в зависимости от размера частиц, измеренное с помощью монокристаллического микрокалориметра». Физический обзор B . 81 (24): 241416. Бибкод : 2010PhRvB..81x1416F . дои : 10.1103/PhysRevB.81.241416 . hdl : 11858/00-001M-0000-0011-29F8-F .
- ^ Левандовски, М.; Грут, ИМН; Шайхутдинов С.; Фройнд, Х.-Й. (2012). «Доказательства сканирующей туннельной микроскопии механизма низкотемпературного окисления CO типа Марса-ван Кревелена на пленке FeO (111) на Pt (111)». Катализ сегодня . 181 : 52–55. дои : 10.1016/j.cattod.2011.08.033 . hdl : 11858/00-001M-0000-0010-50F9-9 .
- ^ Гевирт, Эндрю А.; Племянница Брайан К. (1997). зондовой микроскопии in situ «Электрохимическое применение сканирующей ». Химические обзоры . 97 (4): 1129–1162. дои : 10.1021/cr960067y . ПМИД 11851445 .
- ^ Надь, Золтан; Ты, Хойду (2002). «Применение поверхностного рассеяния рентгеновских лучей к задачам электрохимии» . Электрохимика Акта . 47 (19): 3037–3055. дои : 10.1016/S0013-4686(02)00223-2 .
- ^ Грюндер, Ивонн; Лукас, Кристофер А. (01 ноября 2016 г.). «Рентгеноструктурные исследования монокристаллических электрокатализаторов» . Нано Энергия . 29 : 378–393. дои : 10.1016/j.nanoen.2016.05.043 . ISSN 2211-2855 .
- ^ Каталано, Джеффри Г.; Парк, Чангён; Фентер, Пол; Чжан, Чжан (2008). «Одновременная внутри- и внешнесферная адсорбция арсената на корунде и гематите». Geochimica et Cosmochimica Acta . 72 (8): 1986–2004. Бибкод : 2008GeCoA..72.1986C . дои : 10.1016/j.gca.2008.02.013 .
- ^ Сюй, Человек; Коварик, Либор; Эйри, Брюс В.; Фелми, 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. дои : 10.1016/j.gca.2013.11.036 .
- ^ Жюсила, Анри; Ян, Хэ; Гранквист, Нико; Сунь, Жипей (5 февраля 2016 г.). «Поверхностный плазмонный резонанс для определения характеристик графеновой пленки с атомным слоем большой площади» . Оптика . 3 (2): 151. Бибкод : 2016Оптика...3..151J . дои : 10.1364/OPTICA.3.000151 .
- ^ Гранквист, Нико; Юлиперттула, Марджо; Валимяки, Салла; Пулккинен, Петри; Тенху, Хейкки; Витала, Тапани (18 марта 2014 г.). «Контроль морфологии липидных слоев с помощью химии поверхности субстрата». Ленгмюр . 30 (10): 2799–2809. дои : 10.1021/la4046622 . ПМИД 24564782 .
- ^ Машаги, А; Суонн, М; Попплуэлл, Дж; Текстор, М; Реймхульт, Э (2008). «Оптическая анизотропия нанесенных липидных структур, исследованная с помощью волноводной спектроскопии, и ее применение для изучения кинетики формирования нанесенного липидного бислоя». Аналитическая химия . 80 (10): 3666–76. дои : 10.1021/ac800027s . ПМИД 18422336 .
- ^ Рено, Жиль; Лаццари, Реми; Лерой, Фредерик (2009). «Изучение морфологии поверхности и интерфейса с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния скользящего падения». Отчеты о поверхностной науке . 64 (8): 255–380. Бибкод : 2009SurSR..64..255R . дои : 10.1016/j.surfrep.2009.07.002 .
- ^ Блюм, Хендрик; Хавекер, Майкл; Кноп-Герике, Аксель; Кискинова, Майя; Шлёгль, Роберт; Салмерон, Микель (2007). «Исследование методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии in situ границ раздела газ-твердое тело в условиях, близких к окружающей среде» . Вестник МРС . 32 (12): 1022–1030. дои : 10.1557/mrs2007.211 . S2CID 55577979 .
- ^ Синг, М.; Бернер, Г.; Госс, К.; Мюллер, А.; Рафф, А.; Ветшерек, А.; Тиль, С.; Маннхарт, Дж.; Паули, ЮАР; Шнайдер, CW; Уиллмотт, PR; Горгой, М.; Шеферс, Ф.; Классен, Р. (2009). «Профилирование межфазного электронного газа гетероструктур LaAlO3/SrTiO3 с помощью жесткой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии». Письма о физических отзывах . 102 (17): 176805. arXiv : 0809.1917 . Бибкод : 2009PhRvL.102q6805S . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.176805 . ПМИД 19518810 . S2CID 43739895 .
- ^ Винтерлин, Дж.; Фёлкенинг, С.; Янссенс, TVW; Замбелли, Т.; Эртл, Г. (1997). «Атомные и макроскопические скорости реакций, катализируемых поверхностью». Наука . 278 (5345): 1931–4. Бибкод : 1997Sci...278.1931W . дои : 10.1126/science.278.5345.1931 . ПМИД 9395392 .
- ^ Вальдманн, Т.; и др. (2012). «Окисление органического адслоя: вид с высоты птичьего полета». Журнал Американского химического общества . 134 (21): 8817–8822. дои : 10.1021/ja302593v . ПМИД 22571820 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Коласински, Курт В. (30 апреля 2012 г.). Наука о поверхности: основы катализа и нанонауки (3-е изд.). Уайли. ISBN 978-1119990352 .
- Аттард, Гэри; Барнс, Колин (январь 1998 г.). Поверхности . Оксфордские учебники по химии. ISBN 978-0198556862 .
Внешние ссылки [ править ]
- «Рам Рао «Материалы и наука о поверхности» , видео от Vega Science Trust.
- Открытия в области химии поверхности
- Руководство по метрологии поверхности
Отрасли химии | |
|---|---|
| Аналитический | |
| Теоретический | |
| Физический | |
| Неорганический | |
| Органический | |
| Биологический | |
| Междисциплинарность | |
| См. также | |
