Ciência de superfície - Surface science

Imagem STM de um adsorbato de quinacridona . As cadeias supramoleculares automontadas do semicondutor orgânico são adsorvidas em uma superfície de grafite .

Ciência de superfície é o estudo dos fenômenos físicos e químicos que ocorrem na interface de duas fases , incluindo interfaces sólido - líquido , interfaces sólido - gás , interfaces sólido - vácuo e interfaces líquido - gás . Inclui os campos da química de superfície e da física de superfície . Algumas aplicações práticas relacionadas são classificadas como engenharia de superfície . A ciência engloba conceitos como catálise heterogênea , fabricação de dispositivos semicondutores, células de combustível , monocamadas automontadas e adesivos . A ciência da superfície está intimamente relacionada à ciência da interface e dos colóides . Química interfacial e física são assuntos comuns para ambos. Os métodos são diferentes. Além disso, a ciência das interfaces e dos colóides estuda fenômenos macroscópicos que ocorrem em sistemas heterogêneos devido às peculiaridades das interfaces.

História

O campo da química de superfície começou com a catálise heterogênea iniciada por Paul Sabatier na hidrogenação e Fritz Haber no processo Haber . Irving Langmuir também foi um dos fundadores desse campo, e a revista científica sobre ciências de superfície, Langmuir , leva seu nome. A equação de adsorção de Langmuir é usada para modelar a adsorção em monocamada onde todos os sítios de adsorção de superfície têm a mesma afinidade para as espécies adsorventes e não interagem entre si. Gerhard Ertl em 1974 descreveu pela primeira vez a adsorção de hidrogênio em uma superfície de paládio usando uma nova técnica chamada LEED . Estudos semelhantes com platina , níquel e ferro se seguiram. A maior parte dos desenvolvimentos recentes em ciências de superfície incluem a 2007 Nobel de Química vencedor Gerhard Ertl avanços 's em química de superfície, especificamente a investigação da interacção entre as moléculas de monóxido de carbono e as superfícies de platina.

Química

A química de superfície pode ser definida aproximadamente como o estudo de reações químicas em interfaces. Está intimamente relacionado à engenharia de superfície , que visa modificar a composição química de uma superfície pela incorporação de elementos selecionados ou grupos funcionais que produzem vários efeitos desejados ou melhorias nas propriedades da superfície ou interface. A ciência de superfície é de particular importância para os campos de catálise heterogênea , eletroquímica e geoquímica .

Catálise

A adesão de moléculas de gás ou líquido à superfície é conhecida como adsorção . Isso pode ser devido à quimissorção ou fisissorção , e a força da adsorção molecular à superfície do catalisador é extremamente importante para o desempenho do catalisador (consulte o princípio de Sabatier ). No entanto, é difícil estudar esses fenômenos em partículas de catalisador reais, que possuem estruturas complexas. Em vez disso, superfícies de cristal único bem definidas de materiais cataliticamente ativos, como platina, são frequentemente usadas como catalisadores modelo. Os sistemas de materiais multicomponentes são usados ​​para estudar as interações entre as partículas de metal cataliticamente ativas e os óxidos de suporte; estes são produzidos pelo crescimento de filmes ultrafinos ou partículas em uma única superfície de cristal.

As relações entre a composição, estrutura e comportamento químico dessas superfícies são estudadas usando técnicas de ultra-alto vácuo , incluindo adsorção e dessorção programada por temperatura de moléculas, microscopia de tunelamento de varredura , difração de elétrons de baixa energia e espectroscopia de elétrons Auger . Os resultados podem ser alimentados em modelos químicos ou usados ​​para o projeto racional de novos catalisadores. Os mecanismos de reação também podem ser esclarecidos devido à precisão em escala atômica das medições da ciência de superfície.

Eletroquímica

Eletroquímica é o estudo de processos conduzidos por meio de um potencial aplicado em uma interface sólido-líquido ou líquido-líquido. O comportamento de uma interface eletrodo-eletrólito é afetado pela distribuição de íons na fase líquida próximo à interface que forma a dupla camada elétrica . Os eventos de adsorção e dessorção podem ser estudados em superfícies de cristal único atomicamente planas como uma função do potencial aplicado, tempo e condições de solução usando espectroscopia, microscopia de varredura por sonda e espalhamento de raios-X de superfície . Esses estudos vinculam técnicas eletroquímicas tradicionais, como voltametria cíclica, a observações diretas de processos interfaciais.

Geoquímica

Fenômenos geológicos como a ciclagem do ferro e a contaminação do solo são controlados pelas interfaces entre os minerais e seu ambiente. A estrutura escala atómica e as propriedades químicas dos interfaces de solução mineral são estudados utilizando in situ sincrotrão técnicas de raios-X tal como reflectividade de raios X , ondas estacionárias de raios-X , e espectroscopia de absorção de raios-X , bem como microscopia de varrimento sonda. Por exemplo, estudos de adsorção de metais pesados ou actinídeos em superfícies minerais revelam detalhes de adsorção em escala molecular, permitindo previsões mais precisas de como esses contaminantes viajam pelos solos ou interrompem os ciclos naturais de dissolução-precipitação.

Física

A física de superfície pode ser definida grosso modo como o estudo das interações físicas que ocorrem nas interfaces. Ele se sobrepõe à química da superfície. Alguns dos tópicos investigados em física de superfície incluem fricção , estados de superfície , difusão de superfície , reconstrução de superfície , fônons e plasmons de superfície , epitaxia , a emissão e tunelamento de elétrons, spintrônica e a automontagem de nanoestruturas em superfícies. As técnicas para investigar os processos em superfícies incluem espalhamento de raios-X de superfície , microscopia de sonda de varredura , espectroscopia Raman aprimorada de superfície e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) .

Técnicas de análise

O estudo e análise de superfícies envolve técnicas de análise física e química.

Vários métodos modernos testam as superfícies superiores de 1–10 nm expostas ao vácuo. Estes incluem espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES), espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS), espectroscopia de elétrons Auger (AES), difração de elétrons de baixa energia (LEED), espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS), espectroscopia de dessorção térmica (TPD) , espectroscopia de espalhamento de íons (ISS), espectrometria de massa de íons secundários , interferometria de polarização dupla e outros métodos de análise de superfície incluídos na lista de métodos de análise de materiais . Muitas dessas técnicas requerem vácuo, pois dependem da detecção de elétrons ou íons emitidos da superfície em estudo. Além disso, em geral ultra-alto vácuo , na faixa de 10 −7 pressão pascal ou melhor, é necessário reduzir a contaminação da superfície por gás residual, reduzindo o número de moléculas que atingem a amostra em um determinado período de tempo. A 0,1 MPa (10 -6 torr) a pressão parcial de um contaminante e temperatura padrão , leva apenas da ordem de 1 segundo para cobrir uma superfície com uma monocamada de um-para-um de contaminante a átomos de superfície, tanto as pressões mais baixas são necessário para medições. Isso é encontrado por uma estimativa de ordem de magnitude para a (número) área de superfície específica dos materiais e a fórmula da taxa de impacto da teoria cinética dos gases .

Técnicas puramente ópticas podem ser usadas para estudar interfaces sob uma ampla variedade de condições. Reflexão-absorção no infravermelho, interferometria dupla polarização, espectroscopia Raman superfície melhorada, e espectroscopia de geração de frequência de soma pode ser utilizado para sondar sólido em vácuo, bem como gás-sólido, sólido-líquido, e superfícies de gás-líquido. A ressonância de plasmon de superfície multiparamétrica funciona em superfícies sólido-gás, sólido-líquido, líquido-gás e pode detectar até mesmo camadas sub-nanométricas. Sondas a cinética de interação, bem como mudanças estruturais dinâmicas, como colapso de lipossomas ou inchaço de camadas em diferentes pH. A interferometria de dupla polarização é usada para quantificar a ordem e a interrupção em filmes finos birrefringentes. Isso tem sido usado, por exemplo, para estudar a formação de bicamadas lipídicas e sua interação com proteínas de membrana.

Espalhamento de raios-X e técnicas de espectroscopia também são usadas para caracterizar superfícies e interfaces. Embora algumas dessas medições possam ser realizadas usando fontes de raios-X de laboratório , muitas requerem a alta intensidade e ajuste de energia da radiação síncrotron . Truncamento de cristal de raios-X (CTR) e medições de ondas estacionárias de raios-X (XSW) mudam as alterações na superfície e nas estruturas de adsorvato com resolução sub-Ångström. As medições da estrutura fina de absorção de raios-X estendida pela superfície (SEXAFS) revelam a estrutura de coordenação e o estado químico dos adsorbatos. Espalhamento de raios-X de baixo ângulo de incidência rasante (GISAXS) produz o tamanho, a forma e a orientação das nanopartículas nas superfícies. A estrutura cristalina e a textura de filmes finos podem ser investigadas usando difração de raios-X de incidência rasante (GIXD, GIXRD).

A espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) é uma ferramenta padrão para medir os estados químicos de espécies de superfície e para detectar a presença de contaminação de superfície. A sensibilidade da superfície é obtida detectando fotoelétrons com energias cinéticas de cerca de 10-1000 eV , que têm caminhos livres médios inelásticos correspondentes de apenas alguns nanômetros. Esta técnica foi estendida para operar em pressões próximas à ambiente (pressão ambiente XPS, AP-XPS) para sondar interfaces gás-sólido e líquido-sólido mais realistas. A realização de XPS com raios X duros em fontes de luz síncrotron produz fotoelétrons com energias cinéticas de vários keV (espectroscopia de fotoelétrons de raios X duros, HAXPES), permitindo acesso a informações químicas de interfaces enterradas.

Os métodos modernos de análise física incluem microscopia de tunelamento de varredura (STM) e uma família de métodos descendentes dela, incluindo microscopia de força atômica (AFM). Essas microscopias aumentaram consideravelmente a capacidade e o desejo dos cientistas de superfície de medir a estrutura física de muitas superfícies. Por exemplo, eles tornam possível acompanhar as reações na interface sólido-gás no espaço real, se estas ocorrerem em uma escala de tempo acessível pelo instrumento.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos