表面科学の基礎ナノスケールの化学と物理

表面科学は、複数の学問分野にまたがる非常に複雑な分野で、2つの相が合わさったときに起こる化学的・物理的相互作用に関係している。これらの界面には、固体-真空、液体-気体、固体-液体、固体-気体などがある。この記事では、表面科学の基本的な要素とその利用法について概説する。

サーフェスとインターフェイスの違いとは？

界面と表面という用語は、2つの異なる相にまたがる境界を概説するために、しばしば同様に使用される。しかし、この2つには違いがあり、界面とは、異なる状態の物質が占める2つの空間領域（2つの固体や液体と固体が接する点など）の境界のことである。

表面はしばしば、空気／真空と物質との界面と定義される。そのため、固体物質を扱う表面科学は、真空条件下で行われることが多い。

表面科学の歴史

表面科学が化学と物理学を結びつけるものとして最初に認識されたのは1970年代のことで、不均一系触媒の理解を深めるのに役立ち、表面化学のさらなる研究につながったという研究がきっかけだった。この研究が現代の表面科学の基礎となった。

しかし、表面科学の歴史はこれよりも古く、真空条件下でなければ固体表面の化学や物理を正確に研究することは極めて難しい。低エネルギー電子回折は、1920年代に水素吸着の研究に用いられた。

低エネルギー電子回折は、低エネルギー電子の平行ビームを使用するため、当初は表面科学関連の用途には適さないと考えられていた。このビームは、表面で反射した電子の回折パターンと強度を観測する。つまり、LEEDが学術的に有効であるためには、より優れた真空法が必要だったのである。

より優れた真空法にアクセスできるようになれば、表面化学の研究は継続し、進歩することができる。

表面科学とナノスケールの物理学と化学

表面科学は、実社会での研究だけでなく、商業産業にもまたがる幅広い学術分野を指す言葉である。研究者たちは、さまざまな材料の特性を理解するために、真空条件下で表面科学を継続的に研究している。表面科学は、以下のような特性に関する洞察を提供することができる：

ナノスケールレベルでの界面特性の理解は、原子レベルでの材料や技術に対する理解を深めてきた。これは、薄膜構造、量子コンピューティング、単分子材料、二次元材料、クリーン燃料電池、エコロジープロセス、有機光電池などの製造や開発に役立っている。

結論

新製品を作る際、基材は重量、美観、性能などさまざまな理由で選択される。部品の設計は接合部に影響を与えるため、接着剤の選択と表面科学の化学を理解することは非常に重要です。