Кіріспе

Екі фазаның қиылысында пайда болатын физикалық және химиялық құбылыстарды зерттеуге арналған журнал. Жер беті ғылымы – екі фазаның қиылысында, соның ішінде қатты-сұйық, қатты-газ, қатты-вакуум және сұйық-газ интерфейстерінде жүз беретін физикалық және химиялық құбылыстарды зерттейді. Ол жер беті химиясы және физикасы салаларын қамтиды. Кейбір практикалық қолданыстары жер бетін жасау инженериясы деп аталады. Бұл ғылым гетерогенді катализ, жартылай өткізгіш құрылғыларын жасау, отын жасушалары, өздігінен жиналатын моноқабаттар және адгезивтер сияқты ұғымдарды қамтиды. Жер беті ғылымы интерфейс және коллоидтық ғылыммен тығыз байланысты. Екеуі де интерфейстік химия мен физиканы зерттейді. Бірақ әдістері әртүрлі. Сонымен қатар, интерфейс және коллоидтық ғылым интерфейстердің ерекшеліктеріне байланысты гетерогенді жүйелерде болатын макроскопиялық құбылыстарды зерттейді.

Тарих

Жер беті химиясы саласы Пауль Сабатье сутектік процесте және Фриц Хабер Хабер процесіндегі гетерогенді катализдік реакцияларды зерттеумен басталды. Ирвинг Лангмюр осы саланың негізін қалаушылардың бірі болды, ал жер беті ғылымына арналған ғылыми журнал Лангмюр оның атымен аталады. Лангмюрдің адсорбция теңдеуі, барлық беткі адсорбция орындары адсорбцияланатын заттарға бірдей бейімділікке ие және бір-бірімен өзара әрекеттеспейтін моноқабатты адсорбцияны модельдеу үшін қолданылады. Герхард Эртл 1974 жылы алғаш рет LEED деп аталатын жаңа техника қолданып, палладий бетіне сутегінің адсорбциясын сипаттады. Осыған ұқсас зерттеулер платина, никель және темірмен де жүргізілді. Жер беті ғылымының соңғы жетістіктері 2007 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығын алған Герхард Эртлдің жер беті химиясындағы жетістіктерін, атап айтқанда көміртек монооксиді молекулалары мен платина беттері арасындағы өзара әрекеттесуді зерттеуін қамтиды.

Химия

Беттік химияны интерфейстегі химиялық реакцияларды зерттеу ретінде шартты түрде анықтауға болады. Ол беттік инженериямен тығыз байланысты, ол беткі немесе интерфейстің қасиеттерін жақсарту немесе қажетті әсерлер тудыру үшін таңдалған элементтерді немесе функционалдық топтарды қосу арқылы беткі химиялық құрамын өзгертуге бағытталған. Беттік ғылым гетерогенді катализ, электрохимия және геохимия салалары үшін ерекше маңызды.

Катализа

Газ немесе сұйық молекулалардың бетке жабысуы адсорбция деп аталады. Бұл химисорбция немесе физисорбция арқылы жүруі мүмкін, ал катализатор бетіндегі молекулалық адсорбцияның күші катализатордың тиімділігі үшін маңызды (Сабатье принципін қараңыз). Дегенмен, нақты катализатор бөлшектерінің күрделі құрылымына байланысты осы құбылыстарды зерттеу қиын. Оның орнына, платина сияқты каталитикалық белсенді материалдардың жақсы анықталған бір кристалл беттері жиі модель катализаторлары ретінде қолданылады. Каталитикалық белсенді металл бөлшектері мен тағайындалған оксидтер арасындағы өзара әрекеттесуді зерттеу үшін көп компонентті материалдық жүйелер пайдаланылады; олар бір кристалл бетіне ультра жұқа пленкалар немесе бөлшектер өсіру арқылы жасалады. Бұл беттердің құрамы, құрылымы және химиялық қасиеттері арасындағы байланыстар молекулалардың адсорбциясы және температуралық десорбциясы, сканерлік туннельдік микроскопия, төмен энергиялы электрондық дифракция және Аугер электрондық спектроскопиясы сияқты ультра жоғары вакуумдық әдістерді қолдану арқылы зерттеледі. Алынған нәтижелерді химиялық модельдерге енгізуге немесе жаңа катализаторларды рационалды жобалауға қолдануға болады. Беттік ғылым өлшемдерінің атомдық дәлдігінің арқасында реакция механизмдерін де анықтауға болады.

Электрохимия

Электрохимия – қатты-сұйық немесе сұйық-сұйық интерфейсінде сыртқы потенциал арқылы итермеленетін процестерді зерттейтін ғылым. Электрод-электролит интерфейсінің қасиеттері интерфейстің жанындағы сұйық фазадағы иондардың таралуымен анықталады, осы таралу электрлік қос қабатты қалыптастырады. Адсорбция және десорбция процестерін спектроскопия, сканерлеу зондтық микроскопия және беттік рентгендік шашырау әдістері арқылы атомдық деңгейде тегіс бір кристалл беттерінде қолданылатын потенциалға, уақытқа және ерітінді жағдайларына байланысты зерттеуге болады. Бұл зерттеулер циклдік вольтамметрия сияқты дәстүрлі электрохимиялық әдістерді интерфейстік процестерді тікелей бақылаумен байланыстырады.

Геохимия

Темірдің айналымы және топырақ ластануы сияқты геологиялық құбылыстар минералдар мен олардың ортасы арасындағы байланыстармен реттеледі. Минералдық ерітінділердегі байланыстардың атомдық деңгейдегі құрылымы мен химиялық қасиеттерін зерттеу үшін рентгендік сәулелерді пайдаланатын синхротрондық әдістер, мысалы, рентгендік сәулелердің рефлексиясы, рентгендік сәулелердің тұрақты толқындары, рентгендік сәулелерді сіңіру спектроскопиясы және сканерлеу зондтық микроскопия қолданылады. Мысалы, минералдық беттерге ауыр металлдардың немесе актинидтердің сіңірілуін зерттеу сіңірудің молекулалық деңгейдегі егжей-тегжейін ашады, бұл ластағыштардың топырақ арқылы қалай тарайтынын немесе табиғи еріту-тұнбалану циклдарын қалай бұзатынын дәлірек болжауға мүмкіндік береді.

Физика

Жер бетінің физикасы – интерфейстерде жүз беретін физикалық өзара әрекеттесулерді зерттеу саласы болып табылады. Ол жер беті химиясымен байланысты. Жер бетінің физикасы шеңберінде үйкеліс, беттік күйлер, беттік диффузия, беттік қайта құрылымдану, беттік фонондар мен плазмондар, эпитаксия, электрондардың эмиссиясы және туннельдеуі, спинтроника, сондай-ақ беттердегі наноқұрылымдардың өздігінен құралуы сияқты мәселелер зерттеледі. Беттегі процестерді зерттеуге қолданылатын әдістерге беттік рентген сәулесінің шашырауы, зондтық микроскопия, беттік күшейтілген Раман спектроскопиясы және рентген фотоэлектрондық спектроскопиясы жатады.

Талдау әдістері

Беттерді зерттеу және талдау физикалық және химиялық талдау әдістерін қамтиды. Вакуумға ұшыраған беттердің жоғарғы 1–10 нм қабатын зерттейтін бірнеше заманауи әдістер бар. Оларға бұрыштық ажыратымды фотоэмиссиялық спектроскопия (ARPES), рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS), Аугер электрондық спектроскопиясы (AES), төмен энергиялы электрондық дифракция (LEED), электрондық энергия жоғалту спектроскопиясы (EELS), термиялық десорбция спектроскопиясы (TPD), иондық шашырау спектроскопиясы (ISS), екіншілік иондық массалық спектрометрия, қос поляризациялық интерферометрия және материалдарды талдау әдістерінің тізіміне енген басқа да беттік талдау әдістері кіреді. Бұл әдістердің көпшілігі зерттелетін беттен шығарылатын электрон немесе иондарды анықтауды қажет ететін вакуумды талап етеді. Сонымен қатар, әдетте 10−7 паскаль қысымы немесе одан да төмен қысымда, қалдық газдан беттің ластануын азайту үшін, белгілі бір уақыт ішінде үлгіге жететін молекулалардың санын азайту қажет. 0,1 мПа (10−6 торр) ластаушының жартылай қысымы мен стандартты температурада, беттің бір моноқабатын жабу үшін шамамен 1 секунд уақыт жеткілікті, сондықтан өлшеулер үшін одан да төмен қысымдар қажет. Бұл материалдардың нақты беттік ауданы және газдардың кинетикалық теориясынан алынған соқтығысу жылдамдығы формуласы бойынша шамамен есептеледі. Интерфейстерді зерттеу үшін әртүрлі жағдайларда таза оптикалық әдістерді қолдануға болады. Қатты-вакуум, сондай-ақ қатты-газ, қатты-сұйық және сұйық-газ интерфейстерін зерттеу үшін рефлексиялық сіңіру инфрақызыл спектроскопиясы, қос поляризациялық интерферометрия, беттік күшейтілген Раман спектроскопиясы және жиіліктерді жинақтау спектроскопиясы қолданылады. Көп параметрлі беттік плазмондық резонанс қатты-газ, қатты-сұйық және сұйық-газ интерфейстерінде жұмыс істейді және тіпті нанометрден кіші қабаттарды да анықтай алады. Ол өзара әрекеттесу кинетикасын, сондай-ақ липосомалардың құлдырауы немесе әртүрлі pH деңгейінде қабаттардың ісінуі сияқты динамикалық құрылымдық өзгерістерді зерттейді. Екілік поляризациялық интерферометрия екі өтімді жұқа пленкалардағы тәртіп пен бұзылуды анықтау үшін қолданылады. Мысалы, бұл липидтік екі қабаттардың қалыптасуын және олардың мембраналық ақуыздармен өзара әрекеттесуін зерттеу үшін қолданылған. Қатты-вакуум, қатты-газ және қатты-сұйық интерфейстерін уақыт бойынша өлшеу үшін диссипациялық мониторингі бар кварцтық кристалл микробалансы сияқты акустикалық әдістер қолданылады. Бұл әдіс молекулалардың беттік өзара әрекеттесуін, сондай-ақ құрылымдық өзгерістерді және қосымша қабаттың вискоэластикалық қасиеттерін талдауға мүмкіндік береді. Рентгендік шашырау және спектроскопия әдістері де беттер мен интерфейстерді сипаттау үшін қолданылады. Бұл өлшемдердің кейбіреулерін зертханалық рентген көздерін пайдалану арқылы жүргізуге болады, бірақ көпшілігі синхротрон сәулеленуінің жоғары қарқындылығы мен энергиясын талап етеді. Рентгендік кристалл кесу таяқшалары (CTR) және рентгендік тұрақты толқындар (XSW) өлшемдері беттік және адсорбат құрылымдарының өзгеруін суб-Ангстремдік ажыратымдылықпен зерттейді. Беттік кеңейтілген рентгендік сіңірудің майда құрылымы (SEXAFS) өлшемдері адсорбаттардың координациялық құрылымын және химиялық күйін анықтайды. Жайылған кіші бұрышты рентгендік шашырау (GISAXS) беттегі нанобөлшектердің мөлшерін, пішінін және бағытын анықтайды. Жұқа пленкалардың кристалдық құрылымын және текстурасын жайылу рентгендік дифракциясын (GIXD, GIXRD) қолдану арқылы зерттеуге болады. Рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS) беттік түрлердің химиялық күйін өлшеу және беттік ластануды анықтау үшін стандартты құрал болып табылады. Беттік сезімталдық шамамен 10–1000 эВ кинетикалық энергиясы бар фотоэлектрондарды анықтау арқылы қамтамасыз етіледі, олардың сәйкес келетін инеластикалық орташа еркін жолы бірнеше нанометрді құрайды. Бұл әдіс дерлік қоршаған ортаның қысымында (APXPS) жұмыс істеуге дейін жетілдірілді, бұл көбірек реалистік газ-қатты және сұйық-қатты интерфейстерді зерттеуге мүмкіндік береді. Синхротрон жарық көздерінде қатты рентген сәулелерімен XPS жүргізу бірнеше кэВ кинетикалық энергиясы бар фотоэлектрондарды береді (қатты рентген фотоэлектрондық спектроскопиясы, HAXPES), бұл көмілген интерфейстерден химиялық ақпарат алуға мүмкіндік береді. Қазіргі заманғы физикалық талдау әдістеріне сканерлеу туннельдік микроскопиясы (STM) және одан туындаған әдістер отбасы, соның ішінде атомдық күш микроскопиясы (AFM) кіреді. Бұл микроскопиялар беттік ғалымдардың көптеген беттердің физикалық құрылымын өлшеу қабілетін және ниетін едәуір арттырды. Мысалы, олар қатты-газ интерфейсінде жүретін реакцияларды, егер олар құралдың өлшеу уақытына сәйкес келсе, нақты кеңістікте бақылауға мүмкіндік береді.