علم سطح

علم سطح شاخه‌ای از علوم است که به بررسی رفتار های فیزیکی و شیمیایی رخ‌داده در مرز میان دو فاز مختلف می‌پردازد، از جمله سطوح مشترک جامد–مایع، سطوح مشترک جامد–گاز، سطوح مشترک جامد–خلأ، و سطوح مشترک مایع–گاز. این مطالعه شامل زمینه‌های شیمی سطح و فیزیک سطح است. ^[۱]برخی از کاربردهای عملی مرتبط، تحت عنوان مهندسی سطح طبقه‌بندی می‌شوند.

این حوزه موضوعاتی چون کاتالیز ناهمگن، تولید مواد نیمه‌رسانا، فناوری پیل سوختی و ساختار تک‌لایه‌های خودآرا را شمال می‌شود. علوم سطح ارتباط نزدیکی با علوم مرز مشترک و علوم کلوئیدی دارد.^[۲][۳] شیمی فاز مرزی و فیزیک فاز مرزی موضوعات مشترک برای هر دو هستند. تفاوت در روش‌های مورد استفاده است. علاوه بر این، علوم مرز مشترک و کلوئیدی، پدیده‌های ماکروسکوپیک (بزرگ‌مقیاس) را مطالعه می‌کنند که به دلیل ویژگی‌های خاص فازهای مرزی در سیستم‌های ناهمگن رخ می‌دهند.

این علم را می‌توان به دو بخش اصلیِ «فیزیک سطح» و «شیمی سطح» تقسیم کرد. همچنین مفاهیمی چون «کاتالیزور نامتجانس»، «ساخت قطعات نیمرسانا» و «پیل سوختی» و «نانوسطح» در دستهٔ «مهندسی سطح» قرار می‌گیرند.

پیدایش شیمی سطح با پژوهش‌هایی در زمینه کاتالیز ناهمگن آغاز شد، پژوهشگرانی مانند پل ساباتیه و فریتس هابر نقش مهمی در آن داشتند.^[۴]

ایروینگ لانگمویر از چهره‌های برجسته ی این رشته به شمار می‌رود و نام او بر مجله تخصصی لانگمویر نهاده شده است. از معادله جذب سطحی لانگمویر برای مدل‌سازی جذب تک‌لایه استفاده می‌شود، که در آن فرض بر این است که تمام مکان‌های جذب سطحی، تمایل یکسانی به گونه‌های جذب‌شونده دارند و با یکدیگر برهم‌کنش نمی‌کنند.

گرهارد ارتل در سال ۱۹۷۴ برای اولین بار جذب هیدروژن بر روی سطح پالادیم را با استفاده از روش جدیدی به نام پراش الکترونی کم‌انرژی (LEED) توصیف کرد.^[۵] مطالعات مشابهی با پلاتین^[۶]، نیکل^[۷][۸]، و آهن^[۹] به دنبال آن انجام شد. نوین‌ترین پیشرفت‌ها در علوم سطح شامل دستاوردهای گرهارد ارتل، برنده جایزه نوبل شیمی ۲۰۰۷، به ویژه تحقیق او در مورد برهم‌کنش بین مولکول‌های منوکسید کربن و سطوح پلاتین است.

شیمی سطح را می‌توان تقریباً به عنوان مطالعه واکنش‌های شیمیایی در سطوح مشترک تعریف کرد. این حوزه ارتباط تنگاتنگی با مهندسی سطح دارد، که هدف آن اصلاح ساختار شیمیایی سطح از طریق افزودن عناصر یا گروه‌های عاملی انتخابی است که اثرات مطلوب و گوناگون یا بهبودهایی در خواص سطح یا فاز مرزی ایجاد می‌کنند. علوم سطح به ویژه در زمینه‌های کاتالیز ناهمگن، الکتروشیمی، و ژئوشیمی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

فیزیک سطح به بررسی انواع برهم‌کنش های فیزیکی در ناحیه‌ی مرزی میان فازها می‌پردازد. این حوزه با شیمی سطح هم‌پوشانی دارد.

برخی از موضوعات مورد بررسی در فیزیک سطح عبارتند از: اصطکاک، حالت‌های سطحی (Surface States)، نفوذ سطحی، بازآرایی سطح (Surface Reconstruction)، فنون‌های سطحی و پلاسمون‌ها، برآرایی (Epitaxy)، گسیل الکترون و تونل‌زنی الکترونی، اسپینترونیک، و خودآرایی نانوساختارها بر روی سطوح.

روش‌هایی که برای بررسی فرایندها در سطوح استفاده می‌شوند شامل پراکندگی پرتو ایکس سطحی، میکروسکوپ‌های کاوشگر روبشی، طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی (SERS) و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) هستند.

مطالعه و تحلیل سطوح شامل روش‌های تحلیل فیزیکی و تحلیل شیمیایی است.

روش‌های ترپو ایکس

تکنیک‌های پراکندگی پرتو ایکس و طیف‌سنجی پرتو ایکس نیز برای مشخصه‌یابی سطوح و فازهای مرزی استفاده می‌شوند. در حالی که برخی از این اندازه‌گیری‌ها را می‌توان با استفاده از منابع پرتو ایکس آزمایشگاهی انجام داد، بسیاری از آن‌ها به شدت و قابلیت تنظیم انرژی بالای تابش سینکروترون نیاز دارند.

• اندازه‌گیری‌هایی مانند CTR یا XSW تغییرات ساختاری مواد در سطح را با دقت بسیار بالا آشکار می‌کنند.
• اندازه‌گیری‌های ساختار ریز جذب پرتو ایکس گسترش‌یافته سطحی (SEXAFS)، ساختار کوردیناسیون و وضعیت شیمیایی مواد جاذب را آشکار می‌سازد.
• پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک در نور فرودی مایل (GISAXS) اندازه، شکل و جهت‌گیری نانوذرات روی سطوح را نشان می‌دهد.^[۲۱]  
• ساختار بلوری و بافت لایه‌های نازک را می‌توان با استفاده از پراش پرتو ایکس با نور فرودی مایل (GIXD, GIXRD) مورد بررسی قرار داد.

طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) ابزاری استاندارد برای اندازه‌گیری حالت‌های شیمیایی گونه‌های سطحی و تشخیص وجود آلودگی سطحی است. حساسیت سطحی با تشخیص فوتوالکترون‌هایی با انرژی جنبشی حدود ۱۰ تا ۱۰۰۰ الکترون‌ولت به دست می‌آید، که دارای مسیر آزاد میانگین غیرکشسان متناظر فقط چند نانومتر هستند.^[۲۲][۲۳]

• میکروسکوپ نیروی کاوشگر کلوین _ نوع غیر تماسی میکروسکوپ نیروی اتمی
• اصلاح سطح مواد زیستی با پروتئین‌ها
• اصلاح سطح مواد _ عمل تغییر سطح مواد
• مترولوژی سطح _ اندازه‌گیری ویژگی‌های کوچک در سطح
• سوده‌شناسی _ علم مالش سطوح

1. ↑ Prutton, Martin (1994). Introduction to Surface Physics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-853476-1.
2. ↑ Lyklema, J. (1995–2005). Fundamentals of Interface and Colloid Science. Vol. 1–5. Academic Press.
3. ↑ Lyklema, J. (1995–2005). Fundamentals of Interface and Colloid Science. Vol. 1–5. Academic Press.
4. ↑ Wennerström, Håkan; Lidin, Sven. "Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2007 Chemical Processes on Solid Surfaces" (PDF).
5. ↑ Conrad, H.; Ertl, G.; Latta, E.E. (February 1974). "Adsorption of hydrogen on palladium single crystal surfaces". Surface Science. 41 (2): 435–446. Bibcode:1974SurSc..41..435C. doi:10.1016/0039-6028(74)90060-0.
6. ↑ Christmann, K.; Ertl, G.; Pignet, T. (February 1976). "Adsorption of hydrogen on a Pt(111) surface". Surface Science. 54 (2): 365–392. Bibcode:1976SurSc..54..365C. doi:10.1016/0039-6028(76)90232-6.
7. ↑ Christmann, K.; Schober, O.; Ertl, G.; Neumann, M. (June 1, 1974). "Adsorption of hydrogen on nickel single crystal surfaces". The Journal of Chemical Physics. 60 (11): 4528–4540. Bibcode:1974JChPh..60.4528C. doi:10.1063/1.1680935.
8. ↑ Christmann, K.; Behm, R. J.; Ertl, G.; Van Hove, M. A.; Weinberg, W. H. (May 1, 1979). "Chemisorption geometry of hydrogen on Ni(111): Order and disorder". The Journal of Chemical Physics. 70 (9): 4168–4184. Bibcode:1979JChPh..70.4168C. doi:10.1063/1.438041.
9. ↑ Imbihl, R.; Behm, R. J.; Christmann, K.; Ertl, G.; Matsushima, T. (May 2, 1982). "Phase transitions of a two-dimensional chemisorbed system: H on Fe(110)". Surface Science. 117 (1): 257–266. Bibcode:1982SurSc.117..257I. doi:10.1016/0039-6028(82)90506-4.
10. ↑ Fischer-Wolfarth, Jan-Henrik; Farmer, Jason A.; Flores-Camacho, J. Manuel; Genest, Alexander; Yudanov, Ilya V.; Rösch, Notker; Campbell, Charles T.; Schauermann, Swetlana; Freund, Hans-Joachim (2010). "Particle-size dependent heats of adsorption of CO on supported Pd nanoparticles as measured with a single-crystal microcalorimeter". Physical Review B. 81 (24). Bibcode:2010PhRvB..81x1416F. doi:10.1103/PhysRevB.81.241416. hdl:11858/00-001M-0000-0011-29F8-F. {{cite journal}}: Unknown parameter |article-number= ignored (help)
11. ↑ Lewandowski, M.; Groot, I.M.N.; Shaikhutdinov, S.; Freund, H.-J. (2012). "Scanning tunneling microscopy evidence for the Mars-van Krevelen type mechanism of low temperature CO oxidation on an FeO(111) film on Pt(111)". Catalysis Today. 181: 52–55. doi:10.1016/j.cattod.2011.08.033. hdl:11858/00-001M-0000-0010-50F9-9.
12. ↑ Dukhin, Andrei S.; Xu, Renliang (2025). Zeta potential: fundamentals, methods, and applications. London Cambridge, MA: Academic Press. ISBN 978-0-443-33443-6.
13. ↑ Gewirth, Andrew A.; Niece, Brian K. (1997). "Electrochemical Applications ofin Situ Scanning Probe Microscopy". Chemical Reviews. 97 (4): 1129–1162. doi:10.1021/cr960067y. PMID 11851445.
14. ↑ Nagy, Zoltán; You, Hoydoo (2002). "Applications of surface X-ray scattering to electrochemistry problems". Electrochimica Acta. 47 (19): 3037–3055. doi:10.1016/S0013-4686(02)00223-2.
15. ↑ Gründer, Yvonne; Lucas, Christopher A. (2016-11-01). "Surface X-ray diffraction studies of single crystal electrocatalysts". Nano Energy (به انگلیسی). 29: 378–393. doi:10.1016/j.nanoen.2016.05.043. ISSN 2211-2855.
16. ↑ Catalano, Jeffrey G.; Park, Changyong; Fenter, Paul; Zhang, Zhan (2008). "Simultaneous inner- and outer-sphere arsenate adsorption on corundum and hematite". Geochimica et Cosmochimica Acta. 72 (8): 1986–2004. Bibcode:2008GeCoA..72.1986C. doi:10.1016/j.gca.2008.02.013.
17. ↑ Xu, Man; Kovarik, Libor; Arey, Bruce W.; Felmy, Andrew R.; Rosso, Kevin M.; Kerisit, Sebastien (2014). "Kinetics and mechanisms of cadmium carbonate heteroepitaxial growth at the calcite surface". Geochimica et Cosmochimica Acta. 134: 221–233. doi:10.1016/j.gca.2013.11.036.
18. ↑ Jussila, Henri; Yang, He; Granqvist, Niko; Sun, Zhipei (5 February 2016). "Surface plasmon resonance for characterization of large-area atomic-layer graphene film". Optica. 3 (2): 151. Bibcode:2016Optic...3..151J. doi:10.1364/OPTICA.3.000151.
19. ↑ Granqvist, Niko; Yliperttula, Marjo; Välimäki, Salla; Pulkkinen, Petri; Tenhu, Heikki; Viitala, Tapani (18 March 2014). "Control of the Morphology of Lipid Layers by Substrate Surface Chemistry". Langmuir. 30 (10): 2799–2809. doi:10.1021/la4046622. PMID 24564782.
20. ↑ Mashaghi, A; Swann, M; Popplewell, J; Textor, M; Reimhult, E (2008). "Optical Anisotropy of Supported Lipid Structures Probed by Waveguide Spectroscopy and Its Application to Study of Supported Lipid Bilayer Formation Kinetics". Analytical Chemistry. 80 (10): 3666–76. doi:10.1021/ac800027s. PMID 18422336.
21. ↑ Renaud, Gilles; Lazzari, Rémi; Leroy, Frédéric (2009). "Probing surface and interface morphology with Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering". Surface Science Reports. 64 (8): 255–380. Bibcode:2009SurSR..64..255R. doi:10.1016/j.surfrep.2009.07.002.
22. ↑ Bluhm, Hendrik; Hävecker, Michael; Knop-Gericke, Axel; Kiskinova, Maya; Schlögl, Robert; Salmeron, Miquel (2007). "In Situ X-Ray Photoelectron Spectroscopy Studies of Gas-Solid Interfaces at Near-Ambient Conditions". MRS Bulletin. 32 (12): 1022–1030. doi:10.1557/mrs2007.211. S2CID 55577979.
23. ↑ Sing, M.; Berner, G.; Goß, K.; Müller, A.; Ruff, A.; Wetscherek, A.; Thiel, S.; Mannhart, J.; Pauli, S. A.; Schneider, C. W.; Willmott, P. R.; Gorgoi, M.; Schäfers, F.; Claessen, R. (2009). "Profiling the Interface Electron Gas ofLaAlO3/SrTiO3Heterostructures with Hard X-Ray Photoelectron Spectroscopy". Physical Review Letters. 102 (17). arXiv:0809.1917. Bibcode:2009PhRvL.102q6805S. doi:10.1103/PhysRevLett.102.176805. PMID 19518810. S2CID 43739895. {{cite journal}}: Unknown parameter |article-number= ignored (help)
24. ↑ Wintterlin, J.; Völkening, S.; Janssens, T. V. W.; Zambelli, T.; Ertl, G. (1997). "Atomic and Macroscopic Reaction Rates of a Surface-Catalyzed Reaction". Science. 278 (5345): 1931–4. Bibcode:1997Sci...278.1931W. doi:10.1126/science.278.5345.1931. PMID 9395392.
25. ↑ Waldmann, T.; et al. (2012). "Oxidation of an Organic Adlayer: A Bird's Eye View". Journal of the American Chemical Society. 134 (21): 8817–8822. doi:10.1021/ja302593v. PMID 22571820.

• مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Surface science». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی، بازبینی‌شده در ۱۱ آوریل ۲۰۰۹.

• Attard, Gary; Barnes, Colin (January 1998). Surfaces. Oxford Chemistry Primers. ISBN 978-0-19-855686-2.
• Kolasinski, Kurt W. (2012-04-30). Surface Science: Foundations of Catalysis and Nanoscience (3 ed.). Wiley. ISBN 978-1-119-99035-2.

• «علم مواد و سطح رام رائو» ، ویدئویی از بنیاد علمی وگا
• اکتشافات شیمی سطح
• راهنمای مترولوژی سطح