شیمی سطح
علم شیمی سطح به مطالعه پدیده های فیزیکی و شیمیایی می پردازد که در فصل مشترک دو فاز رخ می دهد؛ از جمله فصل مشترک جامد-مایع، فصل مشترک جامد-گاز، فصل مشترک جامد-خلاء و فصل مشترک مایع-گاز. این علم مدرن، شامل رشته و گرایش های شیمی سطح و فیزیک سطح است. برخی از کاربردهای عملی مرتبط، با عنوان “مهندسی سطح” نیز معرفی می شوند. این علم، مفاهیمی مانند کاتالیز ناهمگن، ساخت دستگاه نیمه هادی، سلول های سوختی، تک لایه های خود مونتاژگری و چسب ها را در بر می گیرد.
علم سطح، ارتباط نزدیکی با علوم ترکیبات کلوئیدها دارد. شیمی سطح و فیزیک، موضوعات مشترکی برای هر دو حوزه تخصصی هستند. روش های بررسی ها و تحقیقات در هر دو علم، متفاوت است. علاوه بر این، علم کلوئید، پدیده‌های ماکروسکوپی را که در سیستم های ناهمگن، مطالعه می‌کند.
تاریخچه علوم شیمی سطح و روند تکمیلی آن
پیشینه تاریخی شیمی سطح، با پدیده های “کاتالیز ناهمگن” آغاز شد که توسط پل ساباتیر، در مورد هیدروژناسیون، و “فریتز هابر” در “فرآیند هابر” معرفی شد. ایروینگ لانگمویر نیز یکی از بنیانگذاران این رشته بود و به همین دلیل، مجله علمی علوم سطحی لانگمویر، نام او را به خود اختصاص داده است. معادله جذب لانگمویر برای مدل‌سازی جذب تک لایه استفاده می‌شود که در آن، همه مکان‌های جذب سطحی، میل یکسانی برای گونه‌های جذب کننده دارند و با یکدیگر تعامل ندارند.
گرهارد ارتل در سال ۱۹۷۴ برای اولین بار جذب هیدروژن روی سطح پالادیوم را با استفاده از تکنیک جدیدی به نام LEED توصیف کرد. مطالعات مشابهی در مورد پلاتین، نیکل، و آهن نیز انجام شد. پیشرفت‌های اخیر در علوم سطح، شامل پیشرفت‌های گرهارد ارتل، برنده جایزه نوبل شیمی در سال ۲۰۰۷ در شیمی سطح، به ویژه تحقیقات او در مورد برهم کنش بین مولکول‌های مونوکسید کربن و سطوح پلاتین است.
علم شیمی، یک مکمل خوب برای مطالعه فرآیندهای سطح است
شیمی سطح را می توان تقریباً به عنوان مطالعه واکنش های شیمیایی در سطح مشترک تعریف کرد. ارتباط نزدیکی با مهندسی سطح دارد که هدف آن اصلاح ترکیب شیمیایی یک سطح با ترکیب عناصر یا گروه های عملکردی انتخاب شده است؛ عواملی که اثرات دلخواه یا بهبودهایی را در خواص سطح یا سطح مشترک ایجاد می کند. علم سطح، در زمینه های کاتالیز ناهمگن، الکتروشیمی و ژئوشیمی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
ارتباط انواع کاتالیزور و علوم مهندسی سطح
چسبندگی مولکول های گاز یا مایع به سطح به عنوان فرآیند جذب شناخته می شود. این فرآیند می تواند به دلیل جذب شیمیایی یا جذب فیزیکی باشد؛ قدرت جذب مولکولی به سطح کاتالیزور برای عملکرد کاتالیزور بسیار مهم است. با این حال، مطالعه این پدیده ها در ذرات کاتالیزور که ساختار پیچیده ای دارند، دشوار است. در مقابل، سطوح تک کریستالی کاملاً مشخص از مواد فعال کاتالیستی مانند پلاتین اغلب به عنوان کاتالیزور مدل استفاده می شود. سیستم های مواد چند جزئی، برای مطالعه برهمکنش بین ذرات فلزی فعال کاتالیستی، و اکسیدهای پشتیبان استفاده می شوند. این سیستم ها با رشد لایه‌ها یا ذرات فوق‌العاده نازک روی یک سطح کریستالی تولید می‌شوند.
روابط بین ترکیب، ساختار و رفتار شیمیایی این سطوح با استفاده از تکنیک‌های تحت خلاء بالا، از جمله جذب و دفع، مولکول ها، برنامه ریزی شده با دما، میکروسکوپ تونلی روبشی، پراش الکترونی با انرژی کم، و طیف سنجی الکترونی اوگر، مورد مطالعه قرار می‌گیرد. نتایج را می توان به نرم افزارهای مدل سازی شیمیایی انتقال داد یا برای طراحی منطقی کاتالیزورهای جدید، استفاده کرد. مکانیسم‌های واکنش را می‌توان به دلیل دقت مقیاس اتمی اندازه‌گیری‌های علوم سطحی نیز توضیح داد.
ارتباط علوم الکتروشیمی و شیمی سطح
الکتروشیمی، مطالعه فرآیندهایی است که از طریق یک پتانسیل در سطح مشترک جامد-مایع یا مایع-مایع انجام می شوند. رفتار یک رابط الکترود-الکترولیت، تحت تأثیر توزیع یون ها در فاز مایع، در کنار رابط تشکیل دهنده لایه دوگانه الکتریکی قرار می گیرد. رویدادهای جذب و دفع را می توان در سطوح تک کریستالی تخت اتمی، به عنوان تابعی از پتانسیل اعمال شده، زمان و شرایط محلول با استفاده از طیف سنجی، میکروسکوپ پروب روبشی و یا روش پراکندگی اشعه ایکس مطالعه کرد. این مطالعات، تکنیک‌های الکتروشیمیایی سنتی مانند ولتامتری چرخه‌ای را به مشاهدات مستقیم فرآیندهای سطحی پیوند می‌دهند.
ژئوشیمی و بررسی فرآیندهای سطح
پدیده های زمین شناسی مانند چرخه آهن و آلودگی خاک، با بررسی ارتباط بین مواد معدنی و محیط آنها توصیف می شود. ساختار مقیاس اتمی و خواص شیمیایی مواد معدنی – محلول، با استفاده از تکنیک های پرتو ایکس سنکروترون، مانند بازتاب اشعه ایکس، امواج پرتو ایکس، و طیف سنجی جذب اشعه ایکس و همچنین میکروسکوپ پروب روبشی مورد مطالعه قرار می گیرد. به عنوان مثال، مطالعات جذب فلزات سنگین یا اکتینیدها بر روی سطوح معدنی، جزئیات جذب در مقیاس مولکولی را نشان می‌دهد، که پیش‌بینی دقیق‌تری از نحوه حرکت این آلاینده‌ها در خاک‌ها را ممکن می‌سازد.
ارتباط علوم فیزیک و شیمی سطح
فیزیک سطح را می توان تقریباً به عنوان مطالعه برهمکنش های فیزیکی که در رابط ها رخ می دهد تعریف کرد. این علم، با شیمی سطح همپوشانی دارد. برخی از موضوعات مورد بررسی در فیزیک سطح شامل اصطکاک، بررسی حالت های سطحی، انتشار سطح، بازسازی سطح، فونون‌ها و پلاسمون‌های سطحی، اپیتاکسی، گسیل و تونل‌زنی الکترون‌ها، اسپینترونیک و خودآرایی نانوساختارها بر روی سطوح است. تکنیک‌های بررسی فرآیندها در سطوح، شامل پراکندگی اشعه ایکس سطحی، میکروسکوپ پروب روبشی، طیف‌سنجی رامان سطح و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) است.
تکنیک های بررسی و مطالعه سطح
مطالعه و تجزیه و تحلیل سطوح شامل هر دو تکنیک تجزیه ای و تحلیل فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی است. چندین روش مدرن، بالاترین سطوح، ۱ تا ۱۰ نانومتری را که در معرض خلاء قرار دارند، بررسی می‌کنند. این روش ها شامل طیف سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه‌ای (ARPES)، طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS)، طیف سنجی الکترونی اوگر (AES)، پراش الکترونی با انرژی کم (LEED)، طیف سنجی اتلاف انرژی الکترون (EELS)، طیف سنجی دفع حرارتی (TPD) است.
طیف سنجی پراکندگی یونی (ISS)، طیف سنجی جرمی یونی ثانویه، تداخل سنجی دو قطبی و سایر روش های آنالیز سطح که در فهرست روش های آنالیز مواد گنجانده شده است نیز با همین هدف قابل استفاده هستند. بسیاری از این تکنیک ها به خلاء نیاز دارند، زیرا بر تشخیص الکترون ها یا یون های ساطع شده از سطح مورد مطالعه تکیه دارند.
روش های مدرن تجزیه و تحلیل فیزیکی شامل میکروسکوپ روبشی – تونل زنی (STM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) است. این میکروسکوپ ها، تمایل دانشمندان شیمی سطح را برای اندازه گیری ساختار فیزیکی بسیاری از سطوح، به میزان قابل توجهی افزایش داده اند. به عنوان مثال، اگر این واکنش‌ها در مقیاس زمانی قابل دسترسی توسط ابزار انجام شود، امکان پیگیری واکنش‌ها را در سطح مشترک گاز – جامد در فضای واقعی فراهم می‌کنند.
