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 abarca 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 interfaciales son temas comunes para ambos. Los métodos son diferentes. Además, la ciencia de las interfaces y los coloides estudia los fenómenos macroscópicos que ocurren en sistemas heterogéneos debido a las peculiaridades de las interfaces.
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 monocapa donde 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 sobre una superficie de paladio utilizando una novedosa técnica llamada LEED . [4] Siguieron estudios similares con platino , [5] níquel , [6] [7] y hierro [8] . Los desarrollos más recientes en las ciencias de superficies incluyen los avances del ganador del Premio Nobel de Química de 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 a grandes rasgos como el estudio de reacciones químicas en las interfaces. Está estrechamente relacionada con la ingeniería de superficies , que tiene como objetivo modificar la composición química de una superficie mediante la incorporación de elementos o grupos funcionales seleccionados 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 .
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 importancia crítica 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, a menudo se utilizan como catalizadores modelo superficies monocristalinas bien definidas de materiales catalíticamente activos como el platino . Los sistemas de materiales multicomponente se utilizan para estudiar las interacciones entre partículas metálicas catalíticamente activas y óxidos de soporte; estos se producen mediante el crecimiento de películas o partículas ultrafinas sobre una superficie de un solo cristal. [9]
Las relaciones entre la composición, la estructura y el comportamiento químico de estas superficies se estudian utilizando técnicas de vacío ultra alto , incluida la adsorción y desorción de moléculas con temperatura programada, la microscopía de efecto túnel , la difracción de electrones de baja energía y la espectroscopia de electrones Auger . Los resultados pueden incorporarse a modelos químicos o utilizarse para el diseño racional de nuevos catalizadores. Los mecanismos de reacción también pueden aclararse gracias a la precisión a escala atómica de las mediciones científicas de superficies. [10]
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 se pueden estudiar en superficies monocristalinas atómicamente planas en función del potencial aplicado, el tiempo y las condiciones de la solución mediante espectroscopia, 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 observaciones directas de procesos interfaciales.
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 las propiedades químicas de las interfaces de solución mineral se estudian utilizando técnicas de rayos X de sincrotrón in situ , como la reflectividad de rayos X , las ondas estacionarias de rayos X y la espectroscopia de absorción de rayos X , así como la microscopía de sonda de barrido. 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 sobre cómo estos contaminantes viajan a través de los suelos [14] o interrumpen los ciclos naturales de disolución-precipitación. [15]
La física de superficies se puede definir a grandes rasgos como el estudio de las interacciones físicas que ocurren en las interfaces. Se superpone con la química de superficies. Algunos de los temas investigados en la física de superficies incluyen la fricción , los estados de la superficie , la difusión de la superficie , la reconstrucción de la superficie , los fonones y plasmones de la superficie , la epitaxia , la emisión y tunelización de electrones, la espintrónica y el autoensamblaje de nanoestructuras en superficies. Las técnicas para investigar procesos en superficies incluyen dispersión de rayos X en superficies, microscopía de sonda de barrido , espectroscopia Raman mejorada en superficies y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) .
El estudio y análisis de superficies implica técnicas de análisis tanto físico como químico.
Varios métodos modernos exploran las superficies superiores de 1 a 10 nm expuestas al vacío. Estos incluyen espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES), espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), espectroscopia de electrones Auger (AES), difracción de electrones de baja energía (LEED), espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS), espectroscopia de desorción térmica (TPD). , espectroscopia de dispersión de iones (ISS), espectrometría de masas de iones secundarios , interferometría de doble polarización y otros métodos de análisis de superficies 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 el vacío general ultraalto , en el rango de presión de 10 −7 pascales o mejor, es necesario reducir la contaminación de la superficie por gas residual, al reducir 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 y átomos de la superficie, por lo que se obtienen 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 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. El infrarrojo de reflexión-absorción, la interferometría de polarización dual, la espectroscopia Raman de superficie mejorada y la espectroscopia de generación de frecuencia de suma se pueden utilizar para sondear superficies sólido-vacío, sólido-gas, sólido-líquido y líquido-gas. La resonancia de plasmones de superficie multiparamétrica funciona en superficies sólido-gas, sólido-líquido, líquido-gas y puede detectar incluso capas subnanométricas. [16] Sonda 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 doble polarización se utiliza para cuantificar el orden y la disrupción 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.
Las técnicas acústicas, como la microbalanza de cristal de cuarzo con monitoreo de disipación , se utilizan para mediciones resueltas en el tiempo de interfaces sólido-vacío, sólido-gas y sólido-líquido. El método permite el análisis de las interacciones molécula-superficie, así como los cambios estructurales y las propiedades viscoelásticas de la capa adlayer.
También se utilizan técnicas de espectroscopia y dispersión de rayos X para caracterizar superficies e interfaces. Si bien algunas de estas mediciones pueden realizarse utilizando fuentes de rayos X de laboratorio , muchas requieren la alta intensidad y sintonizabilidad energética de la radiación sincrotrón . Las mediciones con varillas de truncamiento de cristales de rayos X (CTR) y ondas estacionarias de rayos X (XSW) sondean cambios en la superficie y en las estructuras de adsorbato con resolución sub-Ångström. Las mediciones de la estructura fina de absorción de rayos X extendida en la superficie (SEXAFS) revelan la estructura de coordinación y el estado químico de los adsorbatos. La dispersión de rayos X de ángulo pequeño con incidencia rasante (GISAXS) proporciona el tamaño, la forma y la orientación de las nanopartículas en las superficies. [19] La estructura cristalina y la textura de películas delgadas se pueden investigar utilizando difracción de rayos X de incidencia rasante (GIXD, GIXRD).
La espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) es una herramienta estándar para medir los estados químicos de especies superficiales y para detectar la presencia de contaminación superficial. La sensibilidad de la superficie se logra detectando fotoelectrones con energías cinéticas de aproximadamente 10-1000 eV , que tienen caminos libres medios inelásticos 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 (espectroscopia 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 microscopías han aumentado considerablemente la capacidad y el deseo de los científicos de superficies de medir la estructura física de muchas superficies. Por ejemplo, permiten seguir reacciones en la interfaz sólido-gas en el espacio real, si se desarrollan en una escala de tiempo accesible para el instrumento. [22] [23]
