Die Grundlagen der Oberflächenwissenschaft: Chemie und Physik auf der Nanoskala
Die Oberflächenwissenschaft ist ein hochkomplexes Gebiet, das sich über mehrere Disziplinen erstreckt und mit den chemischen und physikalischen Wechselwirkungen zu tun hat, die beim Zusammentreffen zweier Phasen auftreten. Bei diesen Grenzflächen kann es sich um Feststoff-Vakuum, Flüssigkeit-Gas, Fest-Flüssigkeit, Fest-Gas usw. handeln. In diesem Artikel werden einige der grundlegenden Elemente der Oberflächenwissenschaft und ihre Anwendung beschrieben.
Was ist der Unterschied zwischen einer Oberfläche und einer Schnittstelle?
Die Begriffe Grenzfläche und Oberfläche werden oft ähnlich verwendet, um die Grenze zwischen zwei unterschiedlichen Phasen zu beschreiben. Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen den beiden Begriffen: Eine Grenzfläche ist die Grenze zwischen zwei räumlichen Bereichen, die von Materialien in unterschiedlichen Zuständen eingenommen werden (z. B. der Punkt, an dem zwei Feststoffe oder eine Flüssigkeit und ein Feststoff aufeinandertreffen).
Oberflächen werden häufig als die Schnittstelle zwischen Luft/Vakuum und Materie definiert. Daher werden Oberflächenwissenschaften, die sich mit festen Materialien befassen, häufig unter Vakuumbedingungen durchgeführt.
Geschichte der Oberflächenwissenschaft
Die Oberflächenwissenschaft wurde erstmals in den 1970er Jahren als Schnittstelle zwischen Chemie und Physik erkannt, nachdem Forschungsarbeiten dazu beigetragen hatten, ein Verständnis der heterogenen Katalyse zu entwickeln, das zu weiteren Untersuchungen der Oberflächenchemie führte. Diese Forschung führte zu den Grundlagen der modernen Oberflächenwissenschaft.
Die Oberflächenforschung reicht jedoch noch weiter zurück, da es ohne Vakuumbedingungen äußerst schwierig ist, die Chemie und Physik von Festkörperoberflächen genau zu untersuchen. Die Niederenergie-Elektronenbeugung wurde in den 1920er Jahren zur Erforschung der Wasserstoffadsorption eingesetzt.
Die Niederenergie-Elektronenbeugung galt ursprünglich als ungeeignet für Anwendungen in der Oberflächenforschung, da sie einen kollimierten Strahl niederenergetischer Elektronen verwendet. Mit diesem Strahl wurden dann Beugungsmuster und Intensitäten der von Oberflächen reflektierten Elektronen beobachtet. Das bedeutet, dass LEED bessere Vakuummethoden benötigte, um wissenschaftlich nutzbar zu sein.
Sobald der Zugang zu besseren Vakuummethoden möglich war, konnte die Untersuchung der Oberflächenchemie fortgesetzt und weiterentwickelt werden.
Oberflächenwissenschaft und Physik und Chemie im Nanobereich
Oberflächenwissenschaft ist ein Begriff, der sich auf ein breites Spektrum akademischer Disziplinen bezieht, das sowohl die praktische Forschung als auch die kommerzielle Industrie umfasst. Forscher untersuchen kontinuierlich die Oberflächenwissenschaft unter Vakuumbedingungen, um die Eigenschaften einer Reihe von Materialien zu verstehen. Die Oberflächenwissenschaft kann Einblicke in Eigenschaften wie die folgenden geben:
- Quantenphänomene
- Piezoelektrizität
- Ferroelektrizität
- Katalyse
- Tribologie
- Elektronisch und optisch
Das Verständnis von Grenzflächeneigenschaften im Nanomaßstab hat ein besseres Verständnis von Materialien und Technologien auf atomarer Ebene ermöglicht. Dies ist entscheidend für die Herstellung und Entwicklung von Dünnschichtstrukturen, Quantencomputern, monomolekularen Materialien, 2D-Materialien, sauberen Brennstoffzellen, ökologischen Prozessen, organischer Photovoltaik und vielem mehr.
Die Quintessenz
Bei der Entwicklung eines neuen Produkts werden die Substrate aus einer Reihe von Gründen wie Gewicht, Ästhetik und Leistung ausgewählt. Das Design der Teile wirkt sich auf die Klebeverbindung aus. Daher sind die Auswahl eines Klebstoffs und das Verständnis der Chemie der Oberflächenwissenschaft äußerst wichtig.
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