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Ciencia de superficies

Imagen STM de un adsorbato de quinacridona . Las cadenas supramoleculares autoensambladas del semiconductor orgánico se adsorben sobre una superficie de grafito . La ciencia de ...

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Imagen STM de un adsorbato de quinacridona . Las cadenas supramoleculares autoensambladas del semiconductor orgánico se adsorben sobre una superficie de grafito .

La ciencia de superficies es el estudio de los fenómenos físicos y químicos que ocurren en la interfaz de dos fases , incluyendo 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 , 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 de interfaces son temas comunes para ambas. Los métodos son diferentes. Además, la ciencia de interfaces y coloides estudia fenómenos macroscópicos que ocurren en sistemas heterogéneos debido a las peculiaridades de las interfaces.

Historia

El campo de la química de superficies comenzó con una mujer llamada Agnes Pockels , [ 3 ] [ 4 ] quien fue pionera en el estudio de la tensión superficial y creó la cubeta deslizante de Pockels , [ 5 ] [ 6 ] base para la cubeta de Langmuir-Blodgett [ 7 ] a pesar de que se le negó el acceso a laboratorios académicos en múltiples ocasiones. Casi al mismo tiempo, la catálisis heterogénea fue impulsada por Paul Sabatier en la hidrogenación y Fritz Haber en el proceso de Haber . [ 8 ] 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 de monocapa donde todos los sitios de adsorción de la superficie tienen la misma afinidad por la especie adsorbente 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 . [ 9 ] Posteriormente se realizaron estudios similares con platino , [ 10 ] níquel , [ 11 ] [ 12 ] y hierro . [ 13 ] 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 moléculas de monóxido de carbono y superficies de platino.

Química

La química de superficies puede definirse, a grandes rasgos, como el estudio de las reacciones químicas en las interfaces. Está estrechamente relacionada con la ingeniería de superficies , cuyo objetivo es modificar la composición química de una superficie mediante la incorporación de elementos o grupos funcionales específicos que produzcan diversos efectos deseados o mejoras en las propiedades de la superficie o la 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 una superficie se conoce como adsorción . Esta puede deberse a quimisorción o fisisorción , y la fuerza de la adsorción molecular a la superficie de un catalizador es crucial para su rendimiento (véase el principio de Sabatier ). Sin embargo, resulta difícil estudiar estos fenómenos en partículas de catalizador reales, que poseen estructuras complejas. En su lugar, se suelen utilizar superficies monocristalinas bien definidas de materiales catalíticamente activos, como el platino, como catalizadores modelo. Los sistemas de materiales multicomponentes se emplean 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 monocristalina. [ 14 ]

Las relaciones entre la composición, la estructura y el comportamiento químico de estas superficies se estudian mediante técnicas de ultra alto vacío , que incluyen la adsorción y la desorción programada por temperatura de moléculas, 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 esclarecerse gracias a la precisión a escala atómica de las mediciones de la ciencia de superficies. [ 15 ]

Electroquímica

La electroquímica es el estudio de los procesos impulsados ​​por 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, formando 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 utilizando espectroscopia, microscopía de sonda de barrido [ 16 ] y dispersión de rayos X de superficie . [ 17 ] [ 18 ] Estos estudios vinculan técnicas electroquímicas tradicionales, como la voltametría cíclica, con observaciones directas de 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 las propiedades químicas de las interfaces mineral-solución se estudian mediante 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 a escala molecular de la adsorción, lo que permite predicciones más precisas de cómo estos contaminantes se desplazan a través de los suelos [ 19 ] o alteran los ciclos naturales de disolución-precipitación [ 20 ] .

Física

La física de superficies puede definirse, a grandes rasgos, como el estudio de las interacciones físicas que ocurren en las interfaces. Se solapa con la química de superficies. Algunos de los temas investigados en física de superficies incluyen la fricción , los estados superficiales , la difusión superficial , la reconstrucción superficial , los fonones y plasmones superficiales , la epitaxia , la emisión y el efecto túnel de electrones, la espintrónica y el autoensamblaje de nanoestructuras en superficies. Las técnicas para investigar procesos en superficies incluyen la dispersión de rayos X superficiales , la microscopía de sonda de barrido , la espectroscopia Raman intensificada superficialmente y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X.

Técnicas de análisis

El estudio y análisis de superficies implica técnicas de análisis tanto físicas como químicas.

 Varios métodos modernos analizan los 1-10 nm superiores de las superficies expuestas al vacío. Estos incluyen la espectroscopia de fotoemisión resuelta angularmente (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 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 general, en ultra alto vacío , en el rango de presión de 10⁻⁷ pascales o mejor, es necesario reducir la contaminación de la superficie por gases residuales, disminuyendo 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 a temperatura estándar , solo se necesita aproximadamente 1 segundo para cubrir una superficie con una monocapa de átomos de contaminante en proporción 1:1, por lo que se requieren presiones mucho menores para las mediciones. Esto se obtiene mediante una estimación del orden de magnitud del 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 pueden utilizarse para estudiar interfaces bajo una amplia variedad de condiciones. La espectroscopia infrarroja de reflexión-absorción, la interferometría de doble polarización, la espectroscopia Raman intensificada en superficie y la espectroscopia de generación de frecuencia suma pueden utilizarse para sondear superficies sólido-vacío, así como superficies sólido-gas, sólido-líquido y líquido-gas. La resonancia de plasmones de superficie multiparamétrica funciona en superficies sólido-gas, sólido-líquido y líquido-gas y puede detectar incluso capas subnanométricas. [ 21 ] Sondea la cinética de interacción, así como los cambios estructurales dinámicos, como el colapso de liposomas [ 22 ] 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. [ 23 ] Esto se ha utilizado, por ejemplo, para estudiar la formación de bicapas lipídicas y su interacción con proteínas de membrana.

Se emplean técnicas acústicas, como la microbalanza de cristal de cuarzo con monitorización de la disipación , para mediciones con resolución temporal de las interfaces sólido-vacío, sólido-gas y sólido-líquido. Este método permite analizar las interacciones molécula-superficie, así como los cambios estructurales y las propiedades viscoelásticas de la capa adsorbida.

Las técnicas de dispersión y espectroscopia de rayos X 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 la sintonización de energía de la radiación de sincrotrón . Las mediciones de varillas de truncamiento de cristal de rayos X (CTR) y ondas estacionarias de rayos X (XSW) sondean cambios en las estructuras de superficie y adsorbato con resolución sub-Ångström. Las mediciones de estructura fina de absorción de rayos X extendida en 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) proporciona el tamaño, la forma y la orientación de las nanopartículas en las superficies. [ 24 ] 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 superficiales y detectar la presencia de contaminación superficial. La sensibilidad superficial se logra detectando fotoelectrones con energías cinéticas de aproximadamente 10–1000 eV , que tienen correspondientes recorridos libres medios inelásticos 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 analizar interfaces gas-sólido y líquido-sólido más realistas. [ 25 ] 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 acceder a información química de interfaces enterradas. [ 26 ]

Los métodos modernos de análisis físico incluyen la microscopía de efecto túnel (STM) y una familia de métodos derivados de ella, como la microscopía de fuerza atómica (AFM). Estas microscopías han aumentado considerablemente la capacidad de los científicos de superficies para medir la estructura física de muchas superficies. Por ejemplo, permiten seguir reacciones en la interfaz sólido-gas en el espacio real, siempre que estas se produzcan en una escala de tiempo accesible al instrumento. [ 27 ] [ 28 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Prutton, Martin (1994). Introducción a la física de superficies . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-853476-1.
  2. ↑ Lyklema, J. (1995–2005). Fundamentos de la ciencia de interfaces y coloides . Vol. 1– 5. Academic Press. 
  3. ↑ «¿Quién era Agnès Pockels?». . Universidad Técnica de Braunschweig .
  4. ↑ "Agnew Pockels" . Historia de las mujeres científicas .
  5. ↑ Sella, Andrea (25 de mayo de 2015). "El canal de Pockels" . Chemistry World . Royal Society of Chemistry .
  6. ↑ «El canal del tobogán según Agnes Pockels» . Europa-Universität Flensburg .
  7. ↑ "Biolin Scientific" .
  8. ↑ Wennerström, Håkan; Lidin, Sven. " Antecedentes científicos del Premio Nobel de Química 2007: Procesos químicos en superficies sólidas " (PDF) .
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  11. ↑ Christmann, K.; Schober, O.; Ertl, G .; Neumann, M. (1 de junio de 1974). "Adsorción de hidrógeno en superficies de monocristales de níquel". The Journal of Chemical Physics . 60 (11): 4528– 4540. Bibcode : 1974JChPh..60.4528C . doi : 10.1063/1.1680935 . hdl : 21.11116/0000-0012-991F-E .
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Lecturas adicionales

  • Kolasinski, Kurt W. (30 de abril de 2012). Ciencia de superficies: Fundamentos de catálisis y nanociencia (3.ª  ed.). Wiley. ISBN 978-1-119-99035-2.
  • Attard, Gary; Barnes, Colin (enero de 1998). Superficies . Oxford Chemistry Primers. ISBN 978-0-19-855686-2.
  • "Ram Rao: Ciencia de los materiales y las superficies" , un vídeo del Vega Science Trust.
  • Descubrimientos en química de superficies
  • Guía de metrología de superficies