Строение поверхностей конденсированных фаз

04.06.2015

Конденсированные фазы (твердые тела и жидкости) должны иметь поверхности и границы раздела фаз. Все границы раздела фаз обладают особыми физическими и химическими свойствами. Поверхностные и межфазные границы - основные среды биологической эволюции. Биологические системы и системы фотосинтеза эволюционируют и усовершенствуются либо увеличивая свою площадь поверхности, либо изменяя соотношение объем/поверхность.
Все границы раздела фаз обладают особыми физическими и химическими свойствами. Механические свойства поверхностей обусловливают адгезию, трение или скольжение. Магнитные свойства поверхности используются для информационной памяти (например, магнитная лента или диск компьютера). Химические поверхностные свойства проявляются при гетерогенном катализе. Оптические свойства обусловливают цвет. Электрические свойства поверхностей, или распределение зарядов, используются для получения изображения в ксерографии.
В первых физических моделях поверхность представлялась как гладкая бесконечность. Детальное рассмотрение поверхности (с использованием оптического микроскопа) позволяет обнаружить присутствие нерегулярностей и шероховатостей. Исследования кристаллов показали существование на поверхности больших областей, представляющих собой параллельные плоскости, отделенные друг от друга выступами высотой порядка нескольких ангстрем. Рост таких террас параллельных атомных плоскостей обусловлен, главным образом, незначительным нарушением в структуре атомных плоскостей или присутствием дислокаций. Таким образом, на микроскопическом уровне проявляется неоднородность структуры поверхности.
Приповерхностный атом, в случае его расположения внутри атомной плоскости, окружен наибольшим количеством атомов. Это число существенным образом уменьшается на поверхности атомов, расположенных на выступах или ступенях.
Современные экспериментальные методы позволяют обнаружить упорядоченные ряды атомов на плоскостях, периодичность атомных ступеней и наличие изломов на ступенях.
Используя такие методы, как сканирующий туннельный микроскоп (STM), электроионизациоппую микроскопию (FIM) и дифракцию медленных электронов (LEED), можно построить модель твердой поверхности на атомном уровне, как показано на рис. 1.3.
Строение поверхностей конденсированных фаз

Для неоднородной твердой поверхности атомы, образующие террасу, имеют наибольшее количество ближайших соседей; это число уменьшается для ступеней и изломов.
Для любых реальных поверхностей атомы, образующие изломы, ступени и террасы, имеют свои равновесные концентрации. Например, для грубых поверхностей 10-20 % атомов образуют ступени, 5 % - находятся в положении изломов.
Ступени и изломы часто называют линейнымит дефектами, их следует отличать от атомных вакансий илиов, представляющих точечные дефекты. Точечные дефекты также практически всегда присутствуют на поверхностях, хотя их равновесные концентрации имеют значения меньше, чем 1 %.
Таким образом, современные экспериментальные методы показывают, что твердые поверхности неоднородны на атомном уровне, а относительные концентрации атомов, образующих террасы (упорядоченные области), линейные или точечные дефекты, могут изменяться.
Поверхностные атомы могут двигаться по поверхности, т. е. изменять свою локализацию. При адсорбции атомов или молекул, в результате образования химических связей атомы поверхности также могут изменять положения - незначительно удаляться от кристалла, вращаться и перемещаться по поверхности. Реструктурирование поверхности под действием адсорбированных частиц может приводить к образованию новой поверхности с неизвестной структурой.
Таким образом, поверхность неоднородна на атомном уровне и может подвергаться динамическому реструктурированию в соответствии с изменением локального окружения. Динамические изменения для поверхностных атомов могут происходить в течение хемосорбционных времен (=10в-13 с), или времени протекания каталитических реакций (секунды), или за более длительный промежуток (часы).