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 , las interfaces sólido - gas , las interfaces sólido - vacío y las interfaces 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 engloba conceptos 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 interfaces y coloides . [2] La química y la física interfacial son materias comunes para ambos. Los métodos son diferentes. Además, la ciencia de interfaces y coloides estudia los fenómenos macroscópicos que ocurren en sistemas heterogéneos debido a las peculiaridades de las interfaces.
Historia
El campo de la química de superficies comenzó con la catálisis heterogénea iniciada por Paul Sabatier en la 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 monocapa donde todos los sitios de adsorción de 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 una superficie de paladio utilizando una técnica novedosa llamada LEED . [4] Siguieron estudios similares con platino , [5] níquel , [6] [7] y hierro [8] . Los avances más recientes en las ciencias de la superficie incluyen los avances en química de la superficie del ganador del premio Nobel de Química de 2007 , Gerhard Ertl , específicamente su investigación de la interacción entre las moléculas de monóxido de carbono y las superficies de platino.
Química
La química de superficies se puede definir aproximadamente como el estudio de las reacciones químicas en las interfaces. Está estrechamente relacionado con la ingeniería de superficies , que tiene como objetivo modificar la composición química de una superficie mediante la incorporación de elementos seleccionados o grupos funcionales que producen diversos efectos deseados o mejoras en las propiedades de la superficie o interfaz. La ciencia de superficies es de particular importancia para los campos de la catálisis heterogénea , la electroquímica y la geoquímica .
Catálisis
La adhesión de moléculas de gas o líquido a la superficie se conoce como adsorción . Esto puede deberse a quimisorción o fisisorción , y la fuerza de la adsorción molecular a 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 platino se 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 al cultivar 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 utilizando técnicas de vacío ultra alto , que incluyen adsorción y desorción de moléculas programadas por temperatura , microscopía de túnel de barrido , difracción de electrones de baja energía y espectroscopía de electrones Auger . Los resultados pueden introducirse en modelos químicos o utilizarse para el diseño racional de nuevos catalizadores. Los mecanismos de reacción también pueden aclararse debido a la precisión a escala atómica de las mediciones científicas de superficie. [10]
Electroquímica
La electroquímica es el estudio de procesos impulsados a través de un potencial aplicado en una interfaz sólido-líquido o líquido-líquido. El comportamiento de una interfaz electrodo-electrolito se ve afectado por la distribución de iones en la fase líquida junto a la interfaz que forma la doble capa eléctrica . Los eventos de adsorción y desorción pueden estudiarse en superficies monocristalinas atómicamente planas en función del potencial aplicado, el tiempo y las condiciones de la solución mediante espectroscopía, microscopía de sonda de barrido [11] y dispersión de rayos X de superficie . [12] [13] Estos estudios vinculan las técnicas electroquímicas tradicionales, como la voltamperometría cíclica, con las observaciones directas de los procesos interfaciales.
Geoquímica
Los fenómenos geológicos como el ciclo del hierro y la contaminación del suelo están controlados por las interfaces entre los minerales y su entorno. La estructura a escala atómica y propiedades químicas de las interfaces de solución mineral se estudió utilizando in situ sincrotrón técnicas de rayos X, tales como reflectividad de rayos X , ondas estacionarias de rayos X , y la espectroscopia de absorción de rayos X , así como microscopía de barrido de la sonda. Por ejemplo, los estudios de adsorción de metales pesados o actínidos en superficies minerales revelan detalles de adsorción a escala molecular, lo que permite predicciones más precisas de cómo estos contaminantes viajan a través del suelo [14] o interrumpen los ciclos naturales de disolución-precipitación. [15]
Física
La física de superficies se puede definir aproximadamente como el estudio de las interacciones físicas que ocurren en las interfaces. Se superpone con la química de la superficie. Algunos de los temas investigados en física de superficies incluyen fricción , estados de superficie , difusión de superficie , reconstrucción de superficie , fonones y plasmones de superficie , epitaxia , emisión y tunelización de electrones, espintrónica y autoensamblaje de nanoestructuras en superficies. Las técnicas para investigar procesos en superficies incluyen dispersión de rayos X de superficie , microscopía de sonda de barrido , espectroscopía Raman mejorada de superficie y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) .
Técnicas de análisis
El estudio y análisis de superficies implica técnicas de análisis tanto físicas como químicas.
Varios métodos modernos sondean los 1-10 nm más altos de las superficies expuestas al vacío. Estos incluyen espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), espectroscopía de electrones Auger (AES), difracción de electrones de baja energía (LEED), espectroscopía de pérdida de energía de electrones (EELS), espectroscopía de desorción térmica (TPD) , espectroscopía de dispersión de iones (ISS), espectrometría de masas de iones secundarios , interferometría de polarización dual y otros métodos de análisis de superficie incluidos en la lista de métodos de análisis de materiales . Muchas de estas técnicas requieren vacío, ya que se basan en la detección de electrones o iones emitidos desde la superficie en estudio. Además, en general un vacío ultra alto , en el rango de presión de 10 −7 pascales o mejor, es necesario reducir la contaminación de la superficie por gas residual, reduciendo el número de moléculas que llegan a la muestra durante un período de tiempo determinado. A una presión parcial de 0,1 mPa (10 −6 torr) de un contaminante y una temperatura estándar , solo se necesita del orden de 1 segundo para cubrir una superficie con una monocapa uno a uno de contaminante a los átomos de la superficie, por lo que se requieren presiones mucho más bajas. necesario para las mediciones. Esto se encuentra mediante una estimación de orden de magnitud para el (número) área de superficie específica de los materiales y la fórmula de la tasa de impacto de la teoría cinética de los gases .
Se pueden utilizar técnicas puramente ópticas para estudiar interfaces en una amplia variedad de condiciones. Reflexión de absorción de infrarrojos, la interferometría de polarización dual, la espectroscopia de Raman de superficie mayor y la generación de suma frecuencia espectroscopia se pueden utilizar para sondear sólido-vacío, así como sólido-gas, sólido-líquido, y las superficies de líquido-gas. La resonancia de plasmón de superficie multiparamétrica funciona en superficies sólido-gas, sólido-líquido, líquido-gas y puede detectar incluso capas subnanométricas. [16] Sondea la cinética de interacción, así como los cambios estructurales dinámicos como el colapso de los liposomas [17] o la hinchazón de capas en diferentes pH. La interferometría de polarización dual se utiliza para cuantificar el orden y la rotura en películas delgadas birrefringentes. [18] Esto se ha utilizado, por ejemplo, para estudiar la formación de bicapas lipídicas y su interacción con proteínas de membrana.
También se utilizan técnicas de espectroscopia y dispersión de rayos X para caracterizar superficies e interfaces. Si bien algunas de estas mediciones se pueden realizar utilizando fuentes de rayos X de laboratorio , muchas requieren la alta intensidad y la capacidad de sintonización de energía de la radiación de sincrotrón . Las mediciones de barras de truncamiento de cristales de rayos X (CTR) y ondas estacionarias de rayos X (XSW) sondean los cambios en la superficie y las estructuras de adsorción con una resolución inferior a Ångström. Las mediciones de la estructura fina de absorción de rayos X de superficie extendida (SEXAFS) revelan la estructura de coordinación y el estado químico de los adsorbatos. La dispersión de rayos X de ángulo pequeño de incidencia rasante (GISAXS) produce el tamaño, la forma y la orientación de las nanopartículas en las superficies. [19] La estructura cristalina y la textura de las películas delgadas se pueden investigar mediante difracción de rayos X de incidencia rasante (GIXD, GIXRD).
La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) es una herramienta estándar para medir los estados químicos de las especies de la superficie y para detectar la presencia de contaminación de la superficie. La sensibilidad de la superficie se logra detectando fotoelectrones con energías cinéticas de aproximadamente 10-1000 eV , que tienen trayectorias libres medias inelásticas correspondientes de sólo unos pocos nanómetros. Esta técnica se ha ampliado para operar a presiones cercanas a la ambiental (presión ambiental XPS, AP-XPS) para sondear interfaces gas-sólido y líquido-sólido más realistas. [20] La realización de XPS con rayos X duros en fuentes de luz de sincrotrón produce fotoelectrones con energías cinéticas de varios keV (espectroscopía de fotoelectrones de rayos X duros, HAXPES), lo que permite el acceso a información química desde interfaces enterradas. [21]
Los métodos modernos de análisis físico incluyen la microscopía de túnel de barrido (STM) y una familia de métodos derivados de ella, incluida la microscopía de fuerza atómica (AFM). Estas microscopias han aumentado considerablemente la capacidad y el deseo de los científicos de superficies para medir la estructura física de muchas superficies. Por ejemplo, permiten seguir las reacciones en la interfaz sólido-gas en el espacio real, si se desarrollan en una escala de tiempo accesible por el instrumento. [22] [23]
Ver también
- Interfaz (asunto)
- Microscopio de fuerza de sonda Kelvin : variante sin contacto de microscopía de fuerza atómica
- Micromeritics
- Modificación superficial de biomateriales con proteínas.
- Acabado superficial : gama de procesos que alteran la superficie de un artículo para lograr una determinada propiedad.
- Modificacion superficial
- Fenómeno de superficie
- Tribología : ciencia e ingeniería de superficies que interactúan en movimiento relativo.
Referencias
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Otras lecturas
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- Attard, Gary; Barnes, Colin (enero de 1998). Superficies . Primers de Oxford Chemistry. ISBN 978-0198556862.
enlaces externos
- "Materiales Ram Rao y ciencia de superficies" , un video de Vega Science Trust
- Descubrimientos de la química de superficies
- Guía de metrología de superficies