علم سطح

علم سطح شاخه‌ای از علوم است که به بررسی رفتار های فیزیکی و شیمیایی رخ‌داده در مرز میان دو فاز مختلف می‌پردازد، از جمله سطوح مشترک جامد–مایع، سطوح مشترک جامد–گاز، سطوح مشترک جامد–خلأ، و سطوح مشترک مایع–گاز. این مطالعه شامل زمینه‌های شیمی سطح و فیزیک سطح است. برخی از کاربردهای عملی مرتبط، تحت عنوان مهندسی سطح طبقه‌بندی می‌شوند.

این حوزه موضوعاتی چون کاتالیز ناهمگن، تولید مواد نیمه‌رسانا، فناوری پیل سوختی و ساختار تک‌لایه‌های خودآرا را شمال می‌شود. علوم سطح ارتباط نزدیکی با علوم مرز مشترک و علوم کلوئیدی دارد. شیمی فاز مرزی و فیزیک فاز مرزی موضوعات مشترک برای هر دو هستند. تفاوت در روش‌های مورد استفاده است. علاوه بر این، علوم مرز مشترک و کلوئیدی، پدیده‌های ماکروسکوپیک (بزرگ‌مقیاس) را مطالعه می‌کنند که به دلیل ویژگی‌های خاص فازهای مرزی در سیستم‌های ناهمگن رخ می‌دهند.بندانگشتی|نمایی از ساختار قطرات آب بر روی سطح تار عنکبوت|247x247px
این علم را می‌توان به دو بخش اصلیِ «فیزیک سطح» و «شیمی سطح» تقسیم کرد. همچنین مفاهیمی چون «کاتالیزور نامتجانس»، «ساخت قطعات نیمرسانا» و «پیل سوختی» و «نانوسطح» در دستهٔ «مهندسی سطح» قرار می‌گیرند.

 تاریخچه 
پیدایش شیمی سطح با پژوهش‌هایی در زمینه کاتالیز ناهمگن آغاز شد، پژوهشگرانی مانند پل ساباتیه و فریتس هابر نقش مهمی در آن داشتند.

ایروینگ لانگمویر از چهره‌های برجسته ی این رشته به شمار می‌رود و نام او بر مجله تخصصی لانگمویر نهاده شده است. از معادله جذب سطحی لانگمویر برای مدل‌سازی جذب تک‌لایه استفاده می‌شود، که در آن فرض بر این است که تمام مکان‌های جذب سطحی، تمایل یکسانی به گونه‌های جذب‌شونده دارند و با یکدیگر برهم‌کنش نمی‌کنند.

گرهارد ارتل در سال ۱۹۷۴ برای اولین بار جذب هیدروژن بر روی سطح پالادیم را با استفاده از روش جدیدی به نام پراش الکترونی کم‌انرژی (LEED) توصیف کرد. مطالعات مشابهی با پلاتین، نیکل، و آهن به دنبال آن انجام شد. نوین‌ترین پیشرفت‌ها در علوم سطح شامل دستاوردهای گرهارد ارتل، برنده جایزه نوبل شیمی ۲۰۰۷، به ویژه تحقیق او در مورد برهم‌کنش بین مولکول‌های منوکسید کربن و سطوح پلاتین است.

 شیمی 
بندانگشتی|این تصویر نمونه‌ای از تغییر رفتار ترشوندگی سطح سیلیس را نشان می‌دهد،تغییری که در نتیجه فرایند اکسایش-کاهش گروه‌های فروسن متصل به یک پلیمر سطح نشین ایجاد شده است.
شیمی سطح را می‌توان تقریباً به عنوان مطالعه واکنش‌های شیمیایی در سطوح مشترک تعریف کرد. این حوزه ارتباط تنگاتنگی با مهندسی سطح دارد، که هدف آن اصلاح ساختار شیمیایی سطح از طریق افزودن عناصر یا گروه‌های عاملی انتخابی است که اثرات مطلوب و گوناگون یا بهبودهایی در خواص سطح یا فاز مرزی ایجاد می‌کنند. علوم سطح به ویژه در زمینه‌های کاتالیز ناهمگن، الکتروشیمی، و ژئوشیمی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

 کاتالیز 
به فرایند چسبیدن مولکول های گازی یا مایع بر سطح مواد، جذب سطحی گفته می‌شود. این جذب می‌تواند از نوع فیزیکی یا شیمیایی باشد، و قدرت جذب مولکولی به سطح کاتالیزور برای عملکرد کاتالیزور (رجوع کنید به اصل ساباتیه) بسیار ضروری است. با این حال، مطالعه این پدیده‌ها در ذرات کاتالیزور واقعی، که ساختارهای پیچیده‌ای دارند، دشوار است. در مقابل، اغلب از سطوح تک‌بلوری با تعریف دقیق مواد فعال کاتالیزوری مانند پلاتین به عنوان کاتالیزورهای مدل استفاده می‌شود. سیستم‌های مواد چندجزئی برای مطالعه عملکردهای بین ذرات فلز فعال کاتالیزوری و اکسیدهای پشتیبان به کار می‌روند؛ این سیستم‌ها با رشد دادن لایه‌های فوق‌نازک یا ذرات بر روی یک سطح تک‌بلور ایجاد می‌شوند.

بررسی ارتباط میان ترکیب، ساختار و واکنش‌پذیری سطوح معمولا با بهره‌گیری از دستگاه‌های خلا فوق بالا انجام می‌گیرد که شامل جذب و دفع مولکول‌ها با برنامه‌ریزی دمایی، میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)، پراش الکترونی کم‌انرژی (LEED)، و طیف‌سنجی الکترونی اوژه (Auger Electron Spectroscopy) است. نتایج به دست آمده می‌توانند به مدل‌های شیمیایی وارد شوند یا برای طراحی منطقی کاتالیزورهای جدید به کار روند. به دلیل دقت در مقیاس اتمی در اندازه‌گیری‌های علوم سطح، مکانیسم‌های واکنش نیز می‌توانند مشخص شوند.

 الکتروشیمی 
الکتروشیمی بررسی فرایندهایی است که از طریق یک پتانسیل اعمال شده در سطح مشترک جامد–مایع یا مایع–مایع هدایت می‌شوند. در الکتروشیمی، آرایش یون‌ها در مجاورت الکترود نقش تعیین‌کننده‌ای در شکل‌گیری لایه دوتایی الکتریکی دارد. رخدادهای جذب و دفع را می‌توان بر روی سطوح تک‌بلوری کاملاً مسطح اتمی به عنوان تابعی از پتانسیل اعمالی، زمان، و شرایط محلول با استفاده از طیف‌بینی، میکروسکوپ‌های کاوشگر روبشی (Scanning Probe Microscopy)، و پراش پرتو ایکس سطحی مطالعه کرد. این مطالعات، روش‌های سنتی الکتروشیمیایی مانند ولتامتری چرخه‌ای را به مشاهدات مستقیم فرایندهای سطح مشترک مرتبط می‌سازند.

 ژئوشیمی 
پدیده‌های زمین‌شناسی مانند چرخه آهن و آلودگی خاک توسط سطوح مشترک بین کانیها و محیط اطرافشان کنترل می‌شوند. ساختار در مقیاس اتمی و خواص شیمیایی سطوح مشترک کانی–محلول با استفاده از تکنیک‌های پرتو ایکس سینکروترون درجا (in situ) مانند بازتابندگی پرتو ایکس، امواج ایستای پرتو ایکس، و طیف‌سنجی جذب پرتو ایکس و همچنین میکروسکوپ‌های کاوشگر روبشی مورد مطالعه قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، مطالعات جذب فلزات سنگین یا اکتینیدها بر روی سطوح کانی‌ها، جزئیات در مقیاس مولکولی جذب سطحی را آشکار می‌سازد و امکان پیش‌بینی‌های دقیق‌تری را در مورد چگونگی حرکت این آلاینده‌ها در خاک یا مختل کردن چرخه‌های طبیعی انحلال–ته‌نشینی فراهم می‌کند.

 فیزیک 
بندانگشتی|بررسی برهم‌کنش فیزیکی در نواحی مرزی و خاصیت مویینگی برای جیوه و آب
فیزیک سطح به بررسی انواع برهم‌کنش های فیزیکی در ناحیه‌ی مرزی میان فازها می‌پردازد. این حوزه با شیمی سطح هم‌پوشانی دارد.

برخی از موضوعات مورد بررسی در فیزیک سطح عبارتند از: اصطکاک، حالت‌های سطحی (Surface States)، نفوذ سطحی، بازآرایی سطح (Surface Reconstruction)، فنون‌های سطحی و پلاسمون‌ها، برآرایی (Epitaxy)، گسیل الکترون و تونل‌زنی الکترونی، اسپینترونیک، و خودآرایی نانوساختارها بر روی سطوح.

روش‌هایی که برای بررسی فرایندها در سطوح استفاده می‌شوند شامل پراکندگی پرتو ایکس سطحی، میکروسکوپ‌های کاوشگر روبشی، طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی (SERS) و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) هستند.

 روش‌های تحلیل 
مطالعه و تحلیل سطوح شامل روش‌های تحلیل فیزیکی و تحلیل شیمیایی است.

 روش‌های مبتنی بر خلا 
چندین روش نوین، ۱ تا ۱۰ نانومتر بالایی سطوحی را که در معرض خلأ قرار دارند، کاوش می‌کنند. این روش‌ها شامل طیف‌سنجی فوتوالکترون با وضوح زاویه‌ای (ARPES)، طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS)، طیف‌سنجی الکترونی اوژه (AES)، پراش الکترونی کم‌انرژی (LEED)، طیف‌سنجی اتلاف انرژی الکترونی (EELS)، طیف‌سنجی واجذب گرمایی (TPD)، طیف‌سنجی پراکندگی یون (ISS)، طیف‌سنجی جرمی یون ثانویه (SIMS)، تداخل‌سنجی دوگانه قطبش، و سایر روش‌های تحلیل سطحی هستند که در فهرست روش‌های تحلیل مواد گنجانده شده‌اند.

بسیاری از این تکنیک‌ها نیازمند خلأ هستند زیرا متکی بر تشخیص الکترون‌ها یا یون‌های گسیل‌شده از سطح مورد مطالعه می‌باشند. علاوه بر این، به طور کلی، خلأ فوق‌بالا (Ultra-High Vacuum)، در محدوده فشار (10 به توان منفی7) پاسکال یا بهتر، برای کاهش آلودگی سطح توسط گاز باقیمانده ضروری است، زیرا تعداد مولکول‌هایی که در یک بازه زمانی مشخص به نمونه می‌رسند، کاهش می‌یابد. در فشار جزئی آلاینده 0.1 میلی پاسکال (معادل 10 به توان منفی 6  torr) و دمای استاندارد، تنها در حدود یک ثانیه طول می‌کشد تا سطح با یک تک‌لایه از آلاینده‌ها پوشانده شود. بنابراین، برای انجام اندازه‌گیری‌ها به فشارهای بسیار پایین‌تری نیاز است. این امر از طریق تخمین مرتبه بزرگی برای سطح ویژه مواد و فرمول نرخ برخورد از تئوری جنبشی گازها به دست می‌آید.

 روش‌های نوری 
تکنیک‌های صرفاً نوری می‌توانند برای مطالعه سطوح مشترک تحت طیف گسترده‌ای از شرایط استفاده شوند. برخی روش‌های نوری مانند طیف‌سنجی مادون قرمز بازتاب-جذب یا تداخل‌سنجی دوگانه قطبش امکان مطالعه‌ی دقیق سطوح را فراهم می‌کنند.

تشدید پلاسمون سطحی چندپارامتری (Multi-parametric Surface Plasmon Resonance) در سطوح جامد–گاز، جامد–مایع و مایع–گاز کار می‌کند و می‌تواند حتی لایه‌های زیرنانومتری را تشخیص دهد. این روش فرایندهای برهم‌کنش و همچنین تغییرات ساختاری دینامیکی مانند فروریزی لیپوزوم یا تورم لایه‌ها در pH های مختلف را کاوش می‌کند. از تداخل‌سنجی دوگانه قطبش برای کمّی‌سازی نظم و بی‌نظمی در لایه‌های نازک دوشکستی استفاده می‌شود. برای مثال، این روش برای مطالعه تشکیل لایه‌های دوتایی لیپیدی و برهم‌کنش آن‌ها با پروتئین‌های غشایی  استفاده شده است.

 روش‌های صوتی 
تکنیک‌های صوتی، مانند میکروبالانس بلور کوارتز همراه با پایش اتلاف (QCM-D)، برای اندازه‌گیری‌های با وضوح زمانی از سطوح مشترک جامد–خلأ، جامد–گاز و جامد–مایع استفاده می‌شود. این روش امکان تحلیل برهم‌کنش‌های مولکول–سطح و همچنین تغییرات ساختاری و خواص ویسکوالاستیک لایه جاذب (adlayer) را مهیا می‌کند.

 روش‌های ترپو ایکس 
بندانگشتی|تصویری از طیف‌سنج فوتوالکترون پرتو ایکس که برای مطالعه سطوح مواد خاکی کمیاب استفاده می‌شود.
تکنیک‌های پراکندگی پرتو ایکس و طیف‌سنجی پرتو ایکس نیز برای مشخصه‌یابی سطوح و فازهای مرزی استفاده می‌شوند. در حالی که برخی از این اندازه‌گیری‌ها را می‌توان با استفاده از منابع پرتو ایکس آزمایشگاهی انجام داد، بسیاری از آن‌ها به شدت و قابلیت تنظیم انرژی بالای تابش سینکروترون نیاز دارند.

 اندازه‌گیری‌هایی مانند CTR یا XSW تغییرات ساختاری مواد در سطح را با دقت بسیار بالا آشکار می‌کنند.
 اندازه‌گیری‌های ساختار ریز جذب پرتو ایکس گسترش‌یافته سطحی (SEXAFS)، ساختار کوردیناسیون و وضعیت شیمیایی مواد جاذب را آشکار می‌سازد.
 پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک در نور فرودی مایل (GISAXS) اندازه، شکل و جهت‌گیری نانوذرات روی سطوح را نشان می‌دهد.  
 ساختار بلوری و بافت لایه‌های نازک را می‌توان با استفاده از پراش پرتو ایکس با نور فرودی مایل (GIXD, GIXRD) مورد بررسی قرار داد.

طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) ابزاری استاندارد برای اندازه‌گیری حالت‌های شیمیایی گونه‌های سطحی و تشخیص وجود آلودگی سطحی است. حساسیت سطحی با تشخیص فوتوالکترون‌هایی با انرژی جنبشی حدود ۱۰ تا ۱۰۰۰ الکترون‌ولت به دست می‌آید، که دارای مسیر آزاد میانگین غیرکشسان متناظر فقط چند نانومتر هستند.

 میکروسکوپ‌های کاوشگر 
روش‌های تحلیل فیزیکی مدرن شامل میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) و خانواده‌ای از روش‌های جدا شده از آن، از جمله میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) هستند.

این میکروسکوپ‌ها به طور قابل ملاحظه‌ای توانایی دانشمندان سطح را در اندازه‌گیری ساختار فیزیکی بسیاری از سطوح افزایش داده‌اند. به عنوان مثال، اگر واکنش‌ها در مقیاس زمانی قابل دسترس برای ابزار پیش بروند، این میکروسکوپ‌ها این امکان را فراهم می‌کنند که واکنش‌ها در سطح مشترک جامد–گاز را در فضای حقیقی (Real Space) دنبال کنیم.

 جستارهای وابسته 

  میکروسکوپ نیروی کاوشگر کلوین _ نوع غیر تماسی میکروسکوپ نیروی اتمی
 اصلاح سطح مواد زیستی با پروتئین‌ها
 اصلاح سطح مواد _ عمل تغییر سطح مواد
 مترولوژی سطح _ اندازه‌گیری ویژگی‌های کوچک در سطح
 سوده‌شناسی _ علم مالش سطوح

 منابع 



 مطالعه بیشتر 




 پیوندهای خارجی 

 «علم مواد و سطح رام رائو» ، ویدئویی از بنیاد علمی وگا
 اکتشافات شیمی سطح
 راهنمای مترولوژی سطح



رده:شیمی کلوئید
رده:فیزیک
رده:مکانیک سیالات
رده:مهندسی سطح
رده:مهندسی مکانیک