Введение

Исследование физических и химических явлений, происходящих на границе раздела двух фаз.

Поверхностная наука – это изучение физических и химических явлений, происходящих на границе раздела двух фаз, включая твердо-жидкостные, твердо-газовые, твердо-вакуумные и жидкостно-газовые интерфейсы. Она объединяет области химии поверхности и физики поверхности. Некоторые практические применения, связанные с этой наукой, относятся к поверхностной инженерии. Эта наука охватывает такие понятия, как гетерогенный катализ, производство полупроводниковых приборов, топливные элементы, самоорганизующиеся монослои и адгезивы. Поверхностная наука тесно связана с наукой о границах раздела и коллоидной наукой. Химия и физика интерфейсов – общие темы для обеих дисциплин. Однако методы, используемые в них, различны. Кроме того, наука о границах раздела и коллоидах изучает макроскопические явления, возникающие в гетерогенных системах из-за особенностей интерфейсов.

История

Область поверхностной химии зародилась с гетерогенного катализа, пионерские работы в котором были проведены Полем Сабатье в области гидрирования и Фрицем Габером в отношении процесса Габера. Ирвинг Лангмуир также был одним из основателей этой области, и научный журнал по науке о поверхностях, "Langmuir", носит его имя. Уравнение адсорбции Лангмуара используется для моделирования монослойной адсорбции, при которой все адсорбционные центры на поверхности имеют одинаковую аффинность к адсорбирующемуся веществу и не взаимодействуют друг с другом. Герхард Эртль в 1974 году впервые описал адсорбцию водорода на поверхности палладия, используя новую технику, называемую LEED. За этим последовали аналогичные исследования с платиной, никелем и железом. К наиболее современным достижениям в области науки о поверхностях относятся достижения Герхарда Эртля, лауреата Нобелевской премии по химии 2007 года, в области поверхностной химии, в частности, его исследование взаимодействия между молекулами монооксида углерода и платиновыми поверхностями.

Химия

Химия поверхностей может быть приблизительно определена как изучение химических реакций на границах раздела фаз. Она тесно связана с разработкой технологий модификации поверхностей, направленной на изменение химического состава поверхности путем внедрения выбранных элементов или функциональных групп, создающих различные желаемые эффекты или улучшающих свойства поверхности или границы раздела фаз. Наука о поверхностях имеет особое значение для таких областей, как гетерогенный катализ, электрохимия и геохимия.

Катализ

Прилипание молекул газа или жидкости к поверхности известно как адсорбция. Оно может быть обусловлено химисорбцией или физисорбцией, а прочность адсорбции молекул на поверхности катализатора критически важна для его эффективности (см. принцип Сабатье). Однако изучение этих явлений в реальных каталитических частицах, обладающих сложной структурой, затруднено. Вместо этого часто используют хорошо определенные поверхности монокристаллов каталитически активных материалов, таких как платина, в качестве модельных катализаторов. Многокомпонентные материальные системы применяются для изучения взаимодействий между каталитически активными металлическими частицами и носителями-оксидами; их получают путем выращивания ультратонких пленок или частиц на поверхности монокристалла. Зависимости между составом, структурой и химическим поведением этих поверхностей исследуются с использованием методов сверхвысокого вакуума, включая адсорбцию и температурно-программируемую десорбцию молекул, сканирующую туннельную микроскопию, низкоэнергетическую электронную дифракцию и спектроскопию Оже. Полученные результаты могут быть использованы в химических моделях или для рациональной разработки новых катализаторов. Механизмы реакций также могут быть уточнены благодаря атомному разрешению измерений в области поверхностных наук.

Электрохимия

Электрохимия – это изучение процессов, протекающих под действием приложенного потенциала на границе раздела твердое тело – жидкость или жидкость – жидкость. На поведение электрод-электролитного интерфейса влияет распределение ионов в жидкой фазе, прилегающей к интерфейсу, формирующее электрический двойной слой. Адсорбцию и десорбцию можно изучать на атомно гладких поверхностях монокристаллов в зависимости от приложенного потенциала, времени и условий раствора с использованием спектроскопии, сканирующей зондовой микроскопии и рентгеновской дифракции на поверхности. Эти исследования связывают традиционные электрохимические методы, такие как циклическая вольтамперометрия, с непосредственным наблюдением межфазных процессов.

Геохимия

Геологические явления, такие как круговорот железа и загрязнение почвы, контролируются границами раздела между минералами и окружающей их средой. Атомная структура и химические свойства границ раздела минерал-раствор изучаются с использованием синхротронных рентгеновских методов *in situ*, таких как рентгеновская отражательная способность, рентгеновские стоячие волны и спектроскопия поглощения рентгеновского излучения, а также сканирующая зондовая микроскопия. Например, исследования адсорбции тяжелых металлов или актинидов на поверхности минералов выявляют детали адсорбции на молекулярном уровне, что позволяет более точно прогнозировать поведение этих загрязнителей при их перемещении в почве или нарушении естественных циклов растворения-осаждения.

Физика

Физика поверхностей может быть приблизительно определена как изучение физических взаимодействий, происходящих на границах раздела сред. Она тесно связана с химией поверхности. К числу тем, исследуемых в физике поверхностей, относятся трение, поверхностные состояния, поверхностная диффузия, реконструкция поверхности, поверхностные фононы и плазмоны, эпитаксия, эмиссия и туннелирование электронов, спинтроника и самосборка наноструктур на поверхностях. Методы исследования процессов, происходящих на поверхностях, включают рассеяние рентгеновских лучей на поверхности, сканирующую зондовую микроскопию, спектроскопию Рамана, усиленную на поверхности, и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию.

Методы анализа

Исследование и анализ поверхностей включает в себя как физические, так и химические методы анализа. Несколько современных методов исследуют верхние 1–10 нм поверхностей, подверженных вакууму. К ним относятся фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), спектроскопия Оже (AES), дифракция электронов низкой энергии (LEED), спектроскопия потерь энергии электронов (EELS), спектроскопия термической десорбции (TPD), спектроскопия ионного рассеяния (ISS), вторичная ионная масс-спектрометрия, интерферометрия двойной поляризации и другие методы анализа поверхности, включенные в список методов анализа материалов. Многие из этих методов требуют вакуума, поскольку они основаны на детектировании электронов или ионов, испускаемых с исследуемой поверхности. Более того, как правило, для сверхвысокого вакуума, в диапазоне давления 10−7 паскаля или ниже, необходимо снизить загрязнение поверхности остаточным газом, уменьшив количество молекул, достигающих образца за определенный период времени. При частичном давлении загрязнителя 0,1 мПа (10−6 торр) и стандартной температуре требуется всего около 1 секунды, чтобы покрыть поверхность монослоем загрязнителя по отношению к поверхностным атомам, поэтому для измерений требуются гораздо более низкие давления. Это определяется оценкой порядка величины удельной площади поверхности материалов и формулой скорости столкновения из кинетической теории газов. Чисто оптические методы могут использоваться для изучения интерфейсов в самых различных условиях. Инфракрасная спектроскопия отражения-поглощения, интерферометрия двойной поляризации, спектроскопия усиленного комбинационного рассеяния и спектроскопия генерации суммарной частоты могут использоваться для исследования твердое тело – вакуум, а также твердое тело – газ, твердое тело – жидкость и жидкость – газ. Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс работает на границах раздела твердое тело – газ, твердое тело – жидкость, жидкость – газ и может обнаруживать даже субнанометровые слои. Он исследует кинетику взаимодействия, а также динамические структурные изменения, такие как коллапс липосом или набухание слоев при различных значениях pH. Интерферометрия двойной поляризации используется для количественной оценки порядка и дезорганизации в двуоснотропных тонких пленках. Это использовалось, например, для изучения образования липидных бислоев и их взаимодействия с мембранными белками. Акустические методы, такие как кварцевый микровесовой анализатор с мониторингом диссипации, используются для измерений границ раздела твердое тело – вакуум, твердое тело – газ и твердое тело – жидкость с временным разрешением. Метод позволяет анализировать взаимодействия молекул с поверхностью, а также структурные изменения и вязкоупругие свойства адсорбированного слоя. Рентгеновское рассеяние и спектроскопия также используются для характеристики поверхностей и интерфейсов. Хотя некоторые из этих измерений могут быть выполнены с использованием лабораторных источников рентгеновского излучения, многие из них требуют высокой интенсивности и возможности настройки энергии синхротронного излучения. Рентгеновские кристаллографические стволы (CTR) и рентгеновские стоячие волны (XSW) исследуют изменения структуры поверхности и адсорбированных частиц с суб-ангстремным разрешением. Измерения структуры тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей (SEXAFS) выявляют координационную структуру и химическое состояние адсорбатов. Рассеяние рентгеновских лучей под малым углом при скользящем падении (GISAXS) дает информацию о размере, форме и ориентации наночастиц на поверхностях. Кристаллическую структуру и текстуру тонких пленок можно исследовать с помощью рентгеновской дифракции под скользящим углом (GIXD, GIXRD). Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) является стандартным методом для измерения химических состояний поверхностных частиц и обнаружения наличия поверхностного загрязнения. Поверхностная чувствительность достигается за счет детектирования фотоэлектронов с кинетической энергией около 10–1000 эВ, которые имеют соответствующие средние свободные пути рассеяния всего в несколько нанометров. Этот метод был расширен для работы при близких к атмосферным давлениям (XPS при атмосферном давлении, AP XPS) для исследования более реалистичных границ раздела газ – твердое тело и жидкость – твердое тело. Выполнение XPS с жестким рентгеновским излучением на синхротронных источниках света дает фотоэлектроны с кинетической энергией в несколько кэВ (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия с жестким излучением, HAXPES), что позволяет получить доступ к химической информации о скрытых интерфейсах. Современные физические методы анализа включают сканирующую туннельную микроскопию (STM) и семейство методов, происходящих от нее, включая атомно-силовую микроскопию (AFM). Эти микроскопии значительно расширили возможности и стремление исследователей поверхностей измерять физическую структуру многих поверхностей. Например, они позволяют наблюдать реакции на границе раздела твердое тело – газ в реальном пространстве, если эти реакции протекают в масштабе времени, доступном прибору.