Faz yüzey bilimi

Faz yüzey bilimi, katı - sıvı arayüzleri, katı - gaz arayüzleri, katı - vakum arayüzleri ve sıvı - gaz arayüzleri dahil olmak üzere iki fazın arayüzünde meydana gelen fiziksel ve kimyasal olayların incelenmesidir. Yüzey kimyası ve yüzey fiziği alanlarını içerir. İlgili bazı pratik uygulamalar yüzey mühendisliği olarak sınıflandırılmaktadır. Bilim heterojen kataliz, yarı iletken cihaz üretimi, yakıt hücreleri, kendi kendine monte edilen tek tabakalar ve yapıştırıcılar gibi kavramları kapsar. Faz yüzey bilimi arayüz ve kolloid bilimi ile yakından ilgilidir. Arayüzey kimyası ve fizik her ikisi için de ortak konulardır. Yöntemler farklı. Buna ek olarak, arayüz ve kolloid bilimleri, arayüzlerin özelliklerinden dolayı heterojen sistemlerde ortaya çıkan makroskopik olayları inceler.
Tarih
Yüzey kimyası Paul Sabatier'in hidrojenasyon konusunda öncülük eden heterojen kataliz ve Fritz Haber'in Haber sureci ile başladı. Irving Langmuir de yüzey kimiysı kurucularından biriydi ve Faz yüzey bilimdeki bir bilimsel dergi Langmuir onun onuruna verdiler. Langmuir adsorpsiyon denklemi, tüm yüzey adsorpsiyon sahalarının adsorbe edici türler için aynı afiniteye sahip olduğu ve birbirleriyle etkileşmediği tek tabaka adsorpsiyonunu modellemek için kullanılır. 1974'te Gerhard Ertl, LEED adı verilen yeni bir teknik kullanılarak hidrojenin bir paladyum yüzeyine adsorpsiyonunu ilk kez açıkladı. Bunu platin, nikel, ve demir ile benzer çalışmalar izledi. 2007 yılında Nobel Kimya ödülü Gerhard Ertl'in yüzey kimyasındaki karbon monoksit molekülleri ile platin yüzeyler arasındaki etkileşimi araştırmasını içermektedir.
Kimya
Yüzey kimyası, kabaca arayüzlerdeki kimyasal reaksiyonların incelenmesi olarak tanımlanabilir. Yüzeyin veya arayüzün özelliklerinde arzu edilen çeşitli etkiler veya iyileştirmeler üreten seçilmiş elemanların veya fonksiyonel grupların dahil edilmesiyle bir yüzeyin kimyasal bileşimini değiştirmeyi amaçlayan yüzey mühendisliği ile yakından ilgilidir. Yüzey bilimi heterojen kataliz, elektrokimya ve jeokimya alanlarında özellikle önemlidir.
Kataliz
Gaz veya sıvı moleküllerin yüzeye yapışması adsorpsiyon olarak bilinir. Bu, kemisorpsiyon veya phizorpsiyondan kaynaklanabilir ve bir katalizör yüzeyine moleküler adsorpsiyonun gücü, katalizörün performansı için kritik öneme sahiptir (bkz. Sabatier prensibi ). Bununla birlikte, bu fenomenleri karmaşık yapılara sahip gerçek katalizör parçacıklarında incelemek zordur. Bunun yerine, platin gibi katalitik olarak aktif malzemelerin iyi tanımlanmış tekli kristal yüzeyleri genellikle model katalizörler olarak kullanılır. Çok bileşenli malzeme sistemleri, katalitik olarak aktif metal parçacıkları ile destekleyici oksitler arasındaki etkileşimleri incelemek için kullanılır; bunlar ultra ince filmlerin veya partiküllerin tek bir kristal yüzeyinde büyütülmesiyle üretilir.
Bu yüzeylerin bileşimi, yapısı ve kimyasal davranışı arasındaki ilişkiler, moleküllerin adsorpsiyonu ve sıcaklık programlı desorpsiyonu, taramalı tünelleme mikroskopisi, düşük enerjili elektron kırınımı ve Auger elektron spektroskopisi gibi ultra yüksek vakum teknikleri kullanılarak incelenir. Sonuçlar kimyasal modellere beslenebilir veya yeni katalizörlerin rasyonel tasarımında kullanılabilir. Reaksiyon mekanizmaları, yüzey bilimi ölçümlerinin atom ölçeğinde hassasiyeti nedeniyle de netleştirilebilir.
Elektrokimiya
Elektrokimya, bir katı-sıvı ya da sıvı-sıvı arayüzünde uygulanan bir potansiyel ile sürülen işlemlerin incelenmesidir. Bir elektrot-elektrolit ara yüzünün davranışı, iyonların sıvı fazdaki elektriksel çift tabakayı oluşturan ara yüzün yanına dağılımından etkilenir. Adsorpsiyon ve desorpsiyon olayları, spektroskopi, tarama probu mikroskopisi ve yüzey X-ışını saçılması kullanılarak uygulanan potansiyel, zaman ve çözelti koşullarının bir fonksiyonu olarak atomik olarak düz tek kristal yüzeylerde incelenebilir. Bu çalışmalar, döngüsel voltametri gibi geleneksel elektrokimyasal teknikleri, arayüzey süreçlerinin doğrudan gözlemleriyle ilişkilendirir.
Jeokimya
Demir döngüsü ve toprak kirliliği gibi jeolojik olaylar, mineraller ve çevreleri arasındaki arayüzler tarafından kontrol edilir. Mineral-çözelti arayüzlerinin atomik yapısı ve kimyasal özellikleri, X-ışını yansıtma, X-ışını ayakta dalgaları ve X-ışını emme spektroskopisi ve ayrıca tarama sondası mikroskopisi gibi yerinde senkrotron X-ışını teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Örneğin, ağır metallerin veya mineral yüzeylere aktinit adsorpsiyonu üzerine yapılan çalışmalar, adsorpsiyonun moleküler ölçekli detaylarını ortaya çıkarır ve bu kirleticilerin topraklardan nasıl geçtiğini veya doğal çözünme-çökelme döngülerini bozduğunu daha doğru tahmin eder.
Fizik
Yüzey fiziği kabaca arayüzlerde meydana gelen fiziksel etkileşimlerin incelenmesi olarak tanımlanabilir. Yüzey kimyası ile örtüşüyor. Yüzey fiziğinde araştırılan konuların bazıları sürtünme, yüzey durumları, yüzey difüzyonu, yüzey rekonstrüksiyonu, yüzey fononları ve plazmonları, epitaksi, elektronların emisyonu ve tünellemesi, spintronics ve nanoyapıların yüzeylere kendi kendine montajıdır. Yüzeylerdeki prosesleri inceleme teknikleri arasında Yüzey X-Işını Saçılması, Tarama Probu Mikroskopisi, yüzey destekli Raman Spektroskopisi ve X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) bulunur.
Analiz teknikleri
Yüzeylerin incelenmesi ve analizi hem fiziksel hem de kimyasal analiz tekniklerini içerir.
Birkaç modern yöntem en üst 1-10'u araştırıyor vakuma maruz kalan yüzeylerin nm'si. Bunlar arasında X-ışını fotoelektron spektroskopisi, Auger elektron spektroskopisi, düşük enerjili elektron kırınımı, elektron enerji kaybı spektroskopisi, termal desorpsiyon spektroskopisi, iyon saçılma spektroskopisi, ikincil iyon kütle spektrometresi, çift polarizasyon interferometrisi ve listede yer alan diğer yüzey analizi yöntemleri yer alır. malzeme analiz yöntemleri. Bu tekniklerin birçoğu, incelenen yüzeyden yayılan elektronların veya iyonların saptanmasına bağlı oldukları için vakum gerektirir. Ayrıca, genel olarak ultra yüksek vakumda, 10−7 paskal basınç veya daha iyi bir aralıkta, belirli bir süre boyunca örneğe ulaşan molekül sayısını azaltarak, artık gazın yüzey kontaminasyonunu azaltmak gerekir. Bir kirleticinin ve standart sıcaklığın 0,1 mPa (10 −6 torr) kısmi basıncında, yüzey atomlarına bire bir tek kirletici tabakası olan bir yüzeyin kaplanması sadece 1 saniye sürer, bu nedenle çok daha düşük basınçlar vardır. ölçümler için gereklidir. Bu, malzemelerin (sayı) spesifik yüzey alanı ve gazların kinetik teorisinden gelen çarpma oranı formülü için bir büyüklük tahmini sırası ile bulunur.
Tamamen optik teknikler, çok çeşitli koşullar altında arayüzleri incelemek için kullanılabilir. Yansıma-emme kızılötesi, çift polarizasyon interferometrisi, yüzey destekli Raman spektroskopisi ve toplam frekans üretimi spektroskopisi katı-vakum, katı-gaz, katı-sıvı ve sıvı-gaz yüzeylerini araştırmak için kullanılabilir. Çok parametrik yüzeyli plazmon rezonansı katı-gaz, katı-sıvı, sıvı-gaz yüzeylerde çalışır ve nanometre altı katmanlarını bile tespit edebilir. Etkileşim kinetiğinin yanı sıra lipozom çökmesi veya farklı pH'ta tabakaların şişmesi gibi dinamik yapısal değişiklikleri araştırır. Çift polarizasyonlu interferometri çift kırıcı ince filmlerde düzen ve bozulmayı ölçmek için kullanılır. Bu, örneğin, lipid çift katmanlarının oluşumunu ve bunların membran proteinleri ile etkileşimlerini incelemek için kullanılmıştır.
Yüzeyleri ve arayüzleri karakterize etmek için röntgen saçılması ve spektroskopi kullanılır. Bu ölçümlerin bazıları laboratuvar X-ışını kaynakları kullanılarak gerçekleştirilebilirken, birçoğu senkrotron radyasyonunun yüksek yoğunluğunu ve enerji ayarlanabilirliğini gerektirir. X-ışını kristal kesme çubukları (TO) ve X-ışını duran dalga (XSW) ölçümleri sathındaki değişikliklerin ve sonda adsorbat sub-Ångström çözünürlüğe sahip yapılar. Yüzeye uzatılmış X-ışını soğurma ince yapı (SEXAFS) ölçümleri, adsorbatların koordinasyon yapısını ve kimyasal durumunu gösterir. Otlatma insidansı küçük açılı X-ışını saçılımı (GISAXS), nanopartiküllerin yüzeyler üzerindeki boyutunu, şeklini ve yönünü verir. İnce filmlerin kristal yapısı ve dokusu, otlatma insidansı X-ışını kırınımı (GIXD, GIXRD) kullanılarak araştırılabilir.
X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), yüzey türlerinin kimyasal durumlarını ölçmek ve yüzey kontaminasyonunun varlığını tespit etmek için araçtır. Yüzey hassasiyeti, sadece birkaç nanometreden oluşan elastik olmayan ortalama serbest yollara sahip olan yaklaşık 10-1000 eV kinetik enerjili fotoelektronların saptanmasıyla elde edilir. Bu teknik, daha gerçekçi gaz-katı ve sıvı-katı arayüzlerini araştırmak için, yakın çevre basınçlarında (ortam basıncı XPS, AP-XPS) çalışacak şekilde genişletilmiştir. Sinkrotron ışık kaynaklarında sert X-ışınları ile XPS gerçekleştirmek, gömülü arayüzlerden kimyasal bilgilere erişim sağlayan birkaç keV (sert X-ışını fotoelektron spektroskopisi, HAXPES) kinetik enerjili fotoelektronlar verir.
Modern fiziksel analiz yöntemleri arasında tarama tünelleme mikroskobu (STM) ve atomik kuvvet mikroskopisi dahil olmak üzere ondan çıkan bir yöntem ailesi bulunur. Bu mikroskopiler, yüzey bilimcilerinin birçok yüzeyin fiziksel yapısını ölçme yeteneğini ve arzusunu önemli ölçüde artırmıştır. Örneğin, cihaz tarafından erişilebilen bir zaman ölçeğinde devam ederse, gerçek uzaydaki katı-gaz arayüzündeki reaksiyonları takip etmeyi mümkün kılarlar.