วิทยาศาสตร์พื้นผิวคือการศึกษา ปรากฏการณ์ ทางกายภาพและเคมีที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานของสองเฟสรวมถึงส่วนต่อประสานของของแข็ง - ของเหลว ส่วนต่อประสาน ของ ของแข็ง -ก๊าซ ส่วนต่อประสานของของแข็ง- สุญญากาศและ ส่วนต่อประสาน ของของเหลว - ก๊าซซึ่งรวมถึงสาขาเคมีพื้นผิวและฟิสิกส์พื้นผิว^{[ 1 ]}การประยุกต์ใช้งานจริงที่เกี่ยวข้องบางอย่างจัดอยู่ในประเภทวิศวกรรมพื้นผิววิทยาศาสตร์นี้ครอบคลุมแนวคิดต่างๆ เช่นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เซลล์เชื้อเพลิงโมโนเลเยอร์ที่ประกอบตัวเองและกาว วิทยาศาสตร์ พื้นผิวมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับวิทยาศาสตร์ส่วนต่อประสานและคอลลอยด์^{[ 2 ]}เคมีและฟิสิกส์ของส่วนต่อประสานเป็นหัวข้อทั่วไปสำหรับทั้งสองสาขา วิธีการแตกต่างกัน นอกจากนี้ วิทยาศาสตร์ส่วนต่อประสานและคอลลอยด์ยังศึกษาปรากฏการณ์ระดับมหภาค ที่เกิดขึ้นใน ระบบ ที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันเนื่องจากลักษณะเฉพาะของส่วนต่อประสาน

สาขาเคมีพื้นผิวเริ่มต้นจากผู้หญิงคนหนึ่งชื่อAgnes Pockels [ ^{3 ] [ 4 ] ซึ่ง}เป็นผู้บุกเบิกการศึกษาแรงตึงผิวและสร้างรางเลื่อน Pockels [ ^{5 ] [ 6 ] ซึ่ง}เป็นพื้นฐานของราง Langmuir-Blodgett ^{[ 7 ]}แม้ว่าจะถูกปฏิเสธการเข้าถึงห้องปฏิบัติการทางวิชาการหลายครั้งก็ตาม ในช่วงเวลาเดียวกันPaul Sabatierได้บุกเบิกการเร่งปฏิกิริยาแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน โดย เน้นที่การเติมไฮโดรเจนและFritz Haberเน้นที่กระบวนการ Haber ^{[ 8 ]} Irving Langmuirก็เป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งสาขานี้เช่นกัน และวารสารทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์พื้นผิวLangmuirก็ใช้ชื่อของเขาสมการการดูดซับของ Langmuirใช้ในการจำลองการดูดซับแบบชั้นเดียว โดยที่ไซต์การดูดซับบนพื้นผิวทั้งหมดมีความสัมพันธ์กับชนิดที่ดูดซับได้เหมือนกันและไม่โต้ตอบกันGerhard Ertl ในปี 1974 ได้อธิบายการดูดซับ ไฮโดรเจนบน พื้นผิว แพลเลเดียมเป็นครั้งแรกโดยใช้เทคนิคใหม่ที่เรียกว่าLEED ^{[ 9 ]มี}การศึกษาที่คล้ายกันกับแพลทินัม [ ^{10 ]}นิกเกล [ ^{11 ] [ 12 ] และ}เหล็ก[ ^{13 ] ตาม}มา การพัฒนาล่าสุดในวิทยาศาสตร์พื้นผิวรวมถึง ความก้าวหน้าของ Gerhard Ertlผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำ ปี 2007 ในด้านเคมีพื้นผิว โดยเฉพาะอย่างยิ่งการวิจัยปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลคาร์บอนมอนอกไซด์และพื้นผิวแพลทินัม

เคมีพื้นผิวสามารถนิยามได้คร่าว ๆ ว่าเป็นการศึกษาปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นบริเวณรอยต่อ มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับวิศวกรรมพื้นผิวซึ่งมุ่งเน้นการปรับเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิวโดยการเติมธาตุหรือหมู่ฟังก์ชัน ที่เลือกไว้ เพื่อให้ได้ผลลัพธ์หรือการปรับปรุงคุณสมบัติของพื้นผิวหรือรอยต่อตามที่ต้องการ วิทยาศาสตร์พื้นผิวมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสาขาตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันเคมีไฟฟ้าและธรณี เคมี

การยึดเกาะของโมเลกุลก๊าซหรือของเหลวกับพื้นผิวเรียกว่าการดูดซับซึ่งอาจเกิดจากการดูดซับทางเคมีหรือการดูดซับทางกายภาพและความแข็งแรงของการดูดซับโมเลกุลกับพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยามีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา (ดูหลักการของ Sabatier ) อย่างไรก็ตาม การศึกษาปรากฏการณ์เหล่านี้ในอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาจริงที่มีโครงสร้างซับซ้อนนั้นทำได้ยาก ดังนั้นจึง มักใช้พื้นผิว ผลึกเดี่ยว ที่มีโครงสร้างชัดเจน ของวัสดุที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยา เช่นแพลทินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาจำลอง ระบบวัสดุหลายองค์ประกอบถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคโลหะที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาและออกไซด์ที่รองรับ ซึ่งผลิตขึ้นโดยการปลูกฟิล์มหรืออนุภาคบางเฉียบลงบนพื้นผิวผลึกเดี่ยว^{[ 14 ]}

ความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบ โครงสร้าง และพฤติกรรมทางเคมีของพื้นผิวเหล่านี้ได้รับการศึกษาโดยใช้เทคนิคสุญญากาศสูงพิเศษ รวมถึงการดูดซับและ การคายตัวของโมเลกุลตามโปรแกรมอุณหภูมิ กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนอุโมงค์การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนพลังงานต่ำและสเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนออเกอร์ผลลัพธ์สามารถป้อนเข้าสู่แบบจำลองทางเคมีหรือใช้ในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่อย่างมีเหตุผล กลไกปฏิกิริยายังสามารถชี้แจงได้เนื่องจากความแม่นยำระดับอะตอมของการวัดทางวิทยาศาสตร์พื้นผิว^{[ 15 ]}

เคมีไฟฟ้าคือการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการที่ขับเคลื่อนด้วยศักยภาพที่ใช้ที่ส่วนต่อประสานของของแข็ง-ของเหลวหรือของเหลว-ของเหลว พฤติกรรมของส่วนต่อประสานระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ได้รับผลกระทบจากการกระจายตัวของไอออนในเฟสของเหลวที่อยู่ติดกับส่วนต่อประสานซึ่งก่อให้เกิดชั้นคู่ไฟฟ้าเหตุการณ์การดูดซับและการคายประจุสามารถศึกษาได้ที่พื้นผิวผลึกเดี่ยวที่เรียบระดับอะตอมโดยขึ้นอยู่กับศักยภาพที่ใช้ เวลา และสภาวะของสารละลายโดยใช้สเปกโทรสโกปี กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนโพรบ^{[ 16 ]}และ การ กระเจิงรังสีเอกซ์บนพื้นผิว^{[ 17 ] [ 18 ]}การศึกษาเหล่านี้เชื่อมโยงเทคนิคทางเคมีไฟฟ้าแบบดั้งเดิม เช่นโวลแทมเมตรีแบบวงจรกับการสังเกตโดยตรงของกระบวนการที่ส่วนต่อประสาน

ปรากฏการณ์ทางธรณีวิทยา เช่นวัฏจักรของเหล็กและการปนเปื้อนของดินถูกควบคุมโดยส่วนต่อประสานระหว่างแร่ธาตุและสิ่งแวดล้อม โครงสร้างระดับอะตอมและคุณสมบัติทางเคมีของส่วนต่อประสานระหว่างแร่ธาตุและสารละลายได้รับการศึกษาโดยใช้ เทคนิคเอกซเรย์ซินโคร ตรอน แบบ ในสถานที่ เช่น การสะท้อน รังสีเอกซ์คลื่นนิ่งของรังสีเอกซ์และ สเปกโทรสโก ปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์รวมถึงกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนโพรบ ตัวอย่างเช่น การศึกษา การดูดซับ โลหะหนักหรือแอ คติไนด์ บนพื้นผิวแร่ธาตุเผยให้เห็นรายละเอียดระดับโมเลกุลของการดูดซับ ทำให้สามารถคาดการณ์ได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้นว่าสารปนเปื้อนเหล่านี้เคลื่อนที่ผ่านดินอย่างไร^{[ 19 ]}หรือรบกวนวัฏจักรการละลาย-การตกตะกอนตามธรรมชาติ^{[ 20 ]}

ฟิสิกส์พื้นผิวสามารถนิยามได้คร่าว ๆ ว่าเป็นการศึกษาปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพที่เกิดขึ้นที่รอยต่อ ซึ่งมีความเกี่ยวเนื่องกับเคมีพื้นผิว หัวข้อที่ศึกษาในฟิสิกส์พื้นผิว ได้แก่แรงเสียดทานสถานะพื้นผิวการแพร่บนพื้นผิว การสร้าง พื้นผิว ใหม่โฟนอนและพลาสมอนบนพื้นผิว การเจริญเติบโต แบบเอพิแท็กซีการปล่อยและการทะลุผ่านของอิเล็กตรอนสปินโทรนิกส์และการประกอบตัวเองของโครงสร้างนาโนบนพื้นผิว เทคนิคที่ใช้ในการตรวจสอบกระบวนการที่พื้นผิว ได้แก่การกระเจิงรังสีเอกซ์บน พื้นผิว กล้องจุลทรรศน์ แบบสแกนโพรบ สเปกโทรสโกปีรามานแบบเสริมพื้นผิวและ สเปกโทรส โก ปีโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์

การศึกษาและวิเคราะห์พื้นผิวเกี่ยวข้องกับเทคนิคการวิเคราะห์ทั้งทางกายภาพและทางเคมี

วิธีการวิเคราะห์พื้นผิว สมัยใหม่หลายวิธีใช้ตรวจสอบชั้นบนสุด 1–10 นาโนเมตรของพื้นผิวที่สัมผัสกับสุญญากาศ ซึ่งรวมถึงสเปกโทรสโกปีการปล่อยโฟตอนแบบแยกมุม (ARPES), สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์ ( XPS ), สเปก โทรสโกปีอิเล็กตรอนออเกอร์ (AES), การเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ (LEED ), สเปกโทรสโกปีการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอน (EELS ), สเปกโทรสโกปีการดูดซับความร้อน( TPD ), สเปกโทรสโกปีการกระเจิงของไอออน (ISS), สเปกโทรเมตรี มวลไอออนรอง , อินเตอร์เฟอโรเมตรีแบบโพลาไรเซ ชันคู่ และวิธีการวิเคราะห์พื้นผิวอื่นๆ ที่รวมอยู่ในรายการวิธีการวิเคราะห์วัสดุเทคนิคเหล่านี้หลายอย่างต้องการสุญญากาศ เนื่องจากอาศัยการตรวจจับอิเล็กตรอนหรือไอออนที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวที่กำลังศึกษา นอกจากนี้ ในสุญญากาศระดับสูงมาก โดยทั่วไป ในช่วงความดัน 10 ⁻⁷ ปาสคาลหรือดีกว่านั้น จำเป็นต้องลดการปนเปื้อนของพื้นผิวด้วยก๊าซตกค้าง โดยการลดจำนวนโมเลกุลที่เข้าถึงตัวอย่างในช่วงเวลาที่กำหนด ที่ความดันย่อยของสารปนเปื้อน 0.1 มิลลิปาสคาล (10⁻⁶ ทอร์) และ^{อุณหภูมิ}มาตรฐานจะใช้เวลาเพียงประมาณ 1 วินาทีในการปกคลุมพื้นผิวด้วยชั้นโมโนเลเยอร์ที่มีอัตราส่วนอะตอมของสารปนเปื้อนต่ออะตอมของพื้นผิวเท่ากับหนึ่งต่อหนึ่ง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ความดันที่ต่ำกว่ามากสำหรับการวัด สิ่งนี้ได้มาจากการประมาณค่าขนาดของพื้นที่ผิวจำเพาะ (จำนวน) ของวัสดุและสูตรอัตราการกระทบจากทฤษฎีจลน์ของก๊าซ

เทคนิคทางแสงล้วนๆ สามารถใช้ศึกษาอินเทอร์เฟซภายใต้เงื่อนไขที่หลากหลาย การสะท้อน-การดูดกลืนอินฟราเรด อินเตอร์เฟอโรเมตรีแบบโพลาไรซ์คู่สเปกโทรสโกปีรามานที่เพิ่มประสิทธิภาพพื้นผิวและสเปกโทรสโกปีการสร้างความถี่รวมสามารถใช้ตรวจสอบพื้นผิวของแข็ง-สุญญากาศ รวมถึงพื้นผิวของแข็ง-ก๊าซ ของแข็ง-ของเหลว และของเหลว-ก๊าซได้เรโซแนนซ์พลาสมอนพื้นผิวแบบหลายพารามิเตอร์ทำงานบนพื้นผิวของแข็ง-ก๊าซ ของแข็ง-ของเหลว ของเหลว-ก๊าซ และสามารถตรวจจับชั้นที่มีความหนาต่ำกว่านาโนเมตรได้^{[ 21 ]}มันตรวจสอบจลนศาสตร์การปฏิสัมพันธ์ รวมถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแบบไดนามิก เช่น การยุบตัวของไลโปโซม^{[ 22 ]}หรือการบวมของชั้นในค่า pH ที่แตกต่างกัน อินเตอร์เฟอโรเมตรีแบบโพลาไรซ์คู่ใช้ในการหาปริมาณความเป็นระเบียบและการหยุดชะงักในฟิล์มบางที่มีการหักเหของแสงสองทิศทาง^{[ 23 ]}ตัวอย่างเช่น มีการใช้เพื่อศึกษาการก่อตัวของชั้นไขมันสองชั้นและการปฏิสัมพันธ์กับโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์

เทคนิคทางอะคูสติก เช่นไมโครบาลานซ์ผลึกควอตซ์พร้อมการตรวจสอบการสูญเสียพลังงานถูกนำมาใช้สำหรับการวัดแบบเวลาจริงของส่วนต่อประสานระหว่างของแข็งกับสุญญากาศ ของแข็งกับก๊าซ และของแข็งกับของเหลว วิธีนี้ช่วยให้สามารถวิเคราะห์ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลกับพื้นผิว รวมถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและคุณสมบัติความยืดหยุ่นหนืดของชั้นเกาะติดได้

เทคนิคการกระเจิงรังสีเอกซ์และสเปกโทรสโกปีถูกนำมาใช้เพื่อจำแนกลักษณะพื้นผิวและส่วนต่อประสาน ในขณะที่การวัดบางอย่างสามารถทำได้โดยใช้แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ในห้องปฏิบัติการ แต่หลายอย่างจำเป็นต้อง ใช้ความเข้มสูงและความสามารถในการปรับพลังงานของรังสีซินโครตรอน การวัดด้วยแท่งตัดผลึกรังสี เอกซ์ (CTR) และคลื่นนิ่งรังสี เอก ซ์ (XSW) ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้าง พื้นผิวและ สารดูดซับ ด้วยความละเอียดระดับต่ำกว่าอังสตรอม การวัด โครงสร้างละเอียดการดูดกลืนรังสีเอกซ์แบบขยายพื้นผิว (SEXAFS) เผยให้เห็นโครงสร้างการประสานงานและสถานะทางเคมีของสารดูดซับการกระเจิงรังสีเอกซ์มุมเล็กแบบตกกระทบ เฉียง (GISAXS) ให้ขนาด รูปร่าง และการวางแนวของอนุภาคนาโนบนพื้นผิว^{[ 24 ]} สามารถตรวจสอบ โครงสร้างผลึก และ พื้นผิวของฟิล์มบางได้โดยใช้การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์แบบตกกระทบเฉียง (GIXD, GIXRD)

สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์ (XPS) เป็นเครื่องมือมาตรฐานสำหรับการวัดสถานะทางเคมีของชนิดพื้นผิวและการตรวจจับการปนเปื้อนของพื้นผิว ความไวต่อพื้นผิวเกิดขึ้นจากการตรวจจับโฟโตอิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์ประมาณ 10–1000 eVซึ่งมีระยะทางเฉลี่ยอิสระแบบไม่ยืดหยุ่น ที่สอดคล้องกัน เพียงไม่กี่นาโนเมตร เทคนิคนี้ได้รับการขยายให้ทำงานที่ความดันใกล้เคียงกับความดันบรรยากาศ (XPS ที่ความดันบรรยากาศ, AP-XPS) เพื่อตรวจสอบส่วนต่อประสานระหว่างก๊าซ-ของแข็งและของเหลว-ของแข็งที่สมจริงยิ่งขึ้น^{[ 25 ]}การทำ XPS ด้วยรังสีเอ็กซ์แบบแข็งที่แหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอนจะให้โฟโตอิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์หลาย keV (สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์แบบแข็ง, HAXPES) ทำให้สามารถเข้าถึงข้อมูลทางเคมีจากส่วนต่อประสานที่ฝังอยู่ได้^{[ 26 ]}

วิธีการวิเคราะห์ทางกายภาพสมัยใหม่ ได้แก่กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนอุโมงค์ (STM) และกลุ่มวิธีการที่พัฒนามาจาก STM รวมถึงกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) กล้องจุลทรรศน์เหล่านี้ช่วยเพิ่มความสามารถของนักวิทยาศาสตร์พื้นผิวในการวัดโครงสร้างทางกายภาพของพื้นผิวต่างๆ ได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น กล้องจุลทรรศน์เหล่านี้ทำให้สามารถติดตามปฏิกิริยาที่ส่วนต่อประสานของของแข็งและก๊าซในพื้นที่จริงได้ หากปฏิกิริยาเหล่านั้นเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่เหมาะสมกับเครื่องมือ^{[ 27 ] [ 28 ]}

• Kolasinski, Kurt W. (30 เมษายน 2555). วิทยาศาสตร์พื้นผิว: พื้นฐานของการเร่งปฏิกิริยาและนาโนวิทยา (ฉบับที่ 3). Wiley. ISBN 978-1-119-99035-2.
• Attard, Gary; Barnes, Colin (มกราคม 1998). พื้นผิว . Oxford Chemistry Primers. ISBN 978-0-19-855686-2.

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับวิทยาศาสตร์พื้นผิวโลก

• "ราม ราโอ วัสดุศาสตร์และวิทยาศาสตร์พื้นผิว"วิดีโอจาก Vega Science Trust
• การค้นพบทางเคมีพื้นผิว
• คู่มือการวัดพื้นผิว