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 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 , celdas 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 de interfaces son temas 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.
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 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 una superficie de paladio utilizando 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 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 puede definirse a grandes rasgos como el estudio de las reacciones químicas en las interfases. Está estrechamente relacionada 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 produzcan diversos efectos deseados o mejoras en las propiedades de la superficie o la interfase. 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 la quimisorción o a la fisisorción , y la fuerza de la adsorción molecular a la superficie de un catalizador es de importancia crítica para el rendimiento del catalizador (ver 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 superficies monocristalinas bien definidas de materiales catalíticamente activos como el platino como catalizadores modelo. Los sistemas de materiales multicomponentes 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 en una superficie monocristalina. [9]
Las relaciones entre la composición, la estructura y el comportamiento químico de estas superficies se estudian utilizando técnicas de ultra alto vacío , que incluyen adsorción y desorción de moléculas programadas por temperatura , microscopía de efecto túnel de barrido , difracción de electrones de baja energía y espectroscopia electrónica Auger . Los resultados se pueden incorporar a modelos químicos o utilizarse 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]
La electroquímica es el estudio de los 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 de monocristales atómicamente planas en función del potencial aplicado, el tiempo y las condiciones de la solución utilizando espectroscopia, microscopía de sonda de barrido [11] y dispersión de rayos X de superficie . [12] [13] Estos estudios vinculan 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 entre minerales y soluciones 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 sobre superficies minerales revelan detalles de adsorción a escala molecular, lo que permite predicciones más precisas de cómo estos contaminantes viajan a través de los suelos [14] o alteran 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 se producen 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 superficie , la difusión de superficie , la reconstrucción de superficie , los fonones y plasmones de superficie , la epitaxia , la emisión y tunelización de electrones, la espintrónica y el autoensamblaje de nanoestructuras en superficies. Las técnicas para investigar los procesos en superficies incluyen la dispersión de rayos X de superficie, la microscopía de sonda de barrido , la espectroscopia Raman mejorada de superficie y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X.
El estudio y análisis de superficies implica técnicas de análisis tanto físicas como químicas.
Varios métodos modernos exploran los 1–10 nm superiores de las superficies expuestas al vacío. Estos incluyen la espectroscopia de fotoemisión con resolución angular (ARPES), la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), la espectroscopia de electrones Auger (AES), la difracción de electrones de baja energía (LEED), la espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS), la espectroscopia de desorción térmica (TPD), la espectroscopia de dispersión de iones (ISS), la espectrometría de masas de iones secundarios , la interferometría de polarización dual 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 general, el ultra alto vacío , en el rango de presión de 10 −7 pascal o mejor, es necesario reducir la contaminación de la superficie por gas residual, al reducir la cantidad 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 aproximadamente un segundo para cubrir una superficie con una monocapa de uno a uno de átomos de contaminante a superficie, por lo que se necesitan presiones mucho más bajas para las mediciones. Esto se obtiene mediante una estimación del orden de magnitud para el área superficial específica (en número) de los materiales y la fórmula de la tasa de impacto de la teoría cinética de los gases .
Las técnicas puramente ópticas se pueden utilizar para estudiar las interfaces en una amplia variedad de condiciones. La espectroscopia de reflexión-absorción infrarroja, 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, así como sólido-gas, sólido-líquido y líquido-gas. La resonancia de plasmón de superficie multiparamétrica funciona en superficies sólido-gas, sólido-líquido, líquido-gas y puede detectar incluso capas subnanómetros. [16] Sondea la cinética de interacción, así como los cambios estructurales dinámicos, como el colapso de liposomas [17] o la hinchazón de capas en diferentes pH. La interferometría de polarización dual 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 monitorización de la disipación , se utilizan para realizar mediciones con resolución temporal de las interfaces sólido-vacío, sólido-gas y sólido-líquido. El método permite el análisis de las interacciones entre moléculas y superficies, así como de los cambios estructurales y las propiedades viscoelásticas de la capa adhesiva.
Las técnicas de dispersión de rayos X y espectroscopia también se utilizan 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 capacidad de ajuste 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) investigan cambios en las estructuras de la superficie y del adsorbato con una resolución sub-Ångström. Las mediciones de 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 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 utilizando 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 superficial. 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 solo unos pocos nanómetros. Esta técnica se ha extendido para operar a presiones cercanas a la ambiental (XPS a presión ambiental, 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 de interfaces enterradas. [21]
Los métodos modernos de análisis físico incluyen la microscopía de efecto túnel (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 las reacciones en la interfaz sólido-gas en el espacio real, si se producen en una escala de tiempo accesible para el instrumento. [22] [23]
