La ciencia de superficies es el estudio de los fenómenos físicos y químicos que ocurren en la interfaz de dos fases , incluidas las interfaces sólido - líquido , sólido- gas , sólido- vacío e líquido - gas . Incluye los campos de la química de superficies y la física de superficies . [1] Algunas aplicaciones prácticas relacionadas se clasifican como ingeniería de superficies . La ciencia abarca conceptos tales como catálisis heterogénea ,fabricación de dispositivos semiconductores , pilas de combustible , monocapas autoensambladas y adhesivos . La ciencia de superficies está estrechamente relacionada con la ciencia de interfases y coloides . [2] La química interfacial y la física son temas comunes para ambos. Los métodos son diferentes. Además, la ciencia de interfases y coloides estudia los fenómenos macroscópicos que ocurren en sistemas heterogéneos debido a las peculiaridades de las interfases.
El campo de la química de superficies comenzó con la catálisis heterogénea iniciada por Paul Sabatier en hidrogenación y Fritz Haber en el proceso Haber . [3] Irving Langmuir también fue uno de los fundadores de este campo, y la revista científica sobre ciencia de superficies, Langmuir , lleva su nombre. La ecuación de adsorción de Langmuir se utiliza para modelar la adsorción en monocapas en la que todos los sitios de adsorción de la superficie tienen la misma afinidad por las especies adsorbentes y no interactúan entre sí. Gerhard Ertl en 1974 describió por primera vez la adsorción de hidrógeno en unsuperficie de paladio usando una técnica novedosa llamada LEED . [4] Siguieron estudios similares con platino , [5] níquel , [6] [7] y hierro [8] . Los desarrollos más recientes en ciencias de superficies incluyen los avances del ganador del premio Nobel de Química 2007 Gerhard Ertl en química de superficies, específicamente su investigación de la interacción entre las moléculas de monóxido de carbono y las superficies de platino.
La química de superficies se puede definir aproximadamente como el estudio de las reacciones químicas en las interfases. Está estrechamente relacionado con la ingeniería de superficies , cuyo objetivo es modificar la composición química de una superficie mediante la incorporación de elementos seleccionados o grupos funcionales que producen varios efectos deseados o mejoras en las propiedades de la superficie o interfaz. La ciencia de superficies es de particular importancia para los campos de catálisis heterogénea , electroquímica y geoquímica .
La adhesión de moléculas de gas o líquido a la superficie se conoce como adsorción . Esto puede deberse a la quimisorción o a la fisisorción , y la fuerza de la adsorción molecular en la superficie de un catalizador es de vital importancia para el rendimiento del catalizador (consulte el principio de Sabatier ). Sin embargo, es difícil estudiar estos fenómenos en partículas de catalizador reales, que tienen estructuras complejas. En cambio, las superficies monocristalinas bien definidas de materiales catalíticamente activos como el platinose utilizan a menudo como catalizadores modelo. Los sistemas de materiales multicomponente se utilizan para estudiar las interacciones entre las partículas metálicas catalíticamente activas y los óxidos de soporte; estos se producen mediante el crecimiento de películas o partículas ultrafinas en una superficie de cristal único. [9]
Las relaciones entre la composición, la estructura y el comportamiento químico de estas superficies se estudian mediante técnicas de ultra alto vacío , que incluyen adsorción y desorción de moléculas con temperatura programada, microscopía de túnel de barrido , difracción de electrones de baja energía y espectroscopía de electrones Auger . Los resultados pueden introducirse en modelos químicos o usarse para el diseño racional de nuevos catalizadores. Los mecanismos de reacción también se pueden aclarar debido a la precisión a escala atómica de las mediciones de la ciencia de superficies. [10]