ХИ́МИЯ ПОВЕ́РХНОСТИ

ХИ́МИЯ ПОВЕ́РХНОСТИ, меж­дис­ци­п­ли­нар­ная об­ласть нау­ки, пред­ме­том изу­че­ния ко­то­рой слу­жат со­став, струк­ту­ра и свой­ст­ва меж­фаз­ной гра­ни­цы, а так­же про­те­каю­щие на ней хи­мич. пре­вра­ще­ния. Под меж­фаз­ной гра­ни­цей по­ни­ма­ют гра­ни­цу раз­де­ла фаз твёр­дое те­ло – твёр­дое те­ло, твёр­дое те­ло – жид­кость, твёр­дое те­ло – газ, жид­кость – жид­кость и жид­кость – газ. По­ня­тие «по­верх­ность» кор­рект­но ис­поль­зо­вать толь­ко для гра­ни­цы раз­де­ла твёр­дое те­ло – ва­ку­ум.

Х. п. со­при­ка­са­ет­ся с та­ки­ми об­лас­тями хи­мии, как кол­ло­ид­ная хи­мия, элек­тро­хи­мия (в час­ти про­цес­сов, про­те­каю­щих на по­верх­но­сти элек­тро­дов), ге­те­ро­ген­ный ка­та­лиз, ад­сорб­ция, хро­ма­то­гра­фия, а так­же с био­хи­ми­ей и мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­ги­ей (в час­ти про­цес­сов, про­те­каю­щих на кле­точ­ных мем­бра­нах) и др. Ме­то­ды Х. п. ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния ка­та­ли­за­то­ров, сор­бен­тов, на­пол­ни­те­лей по­ли­ме­ров, сен­со­ров, по­лу­про­вод­ни­ко­вых мик­ро­схем и ге­те­ро­ст­рук­тур, био­чи­пов, твер­до­фаз­но­го син­те­за по­ли­пеп­ти­дов и др. био­ло­ги­че­ски ак­тив­ных ве­ществ и т. д. Наи­бо­лее яр­ко прин­ци­пы и ме­то­ды Х. п. про­яв­ля­ют се­бя в на­но­тех­но­ло­ги­ях.

Со­став, струк­ту­ра и свой­ст­ва меж­фаз­ной гра­ни­цы в об­щем слу­чае от­ли­ча­ют­ся от та­ко­вых для объ­ё­ма фаз. Это свя­за­но, в ча­ст­но­сти, с яв­ле­ни­ем ад­сорб­ции – уве­ли­че­ни­ем кон­цен­тра­ции рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва на гра­ни­це раз­де­ла двух фаз. Т. к. час­ти­цы, на­хо­дя­щие­ся на по­верх­но­сти фа­зы (ато­мы, ио­ны или мо­ле­ку­лы), свя­за­ны с мень­шим ко­ли­че­ст­вом со­се­дей, чем час­ти­цы в объ­ё­ме фа­зы, они об­ла­да­ют большей энер­ги­ей (из­бы­точ­ной энер­ги­ей) и сво­бод­ны­ми ко­ор­ди­на­ци­он­ны­ми мес­та­ми (или сво­бод­ны­ми ва­лент­но­стя­ми), что пре­до­пре­де­ля­ет их бо́ль­шую ре­ак­ци­он­ную спо­соб­ность. Час­ти­цы, на­хо­дя­щие­ся на по­верх­но­сти фа­зы, мо­гут всту­пать в хи­мич. взаи­мо­дей­ст­вие с ком­по­нен­та­ми др. фа­зы (ок­ру­жаю­щей сре­ды). На прак­ти­ке наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны ре­ак­ции с во­дой и ки­сло­ро­дом. Это при­во­дит, напр., к об­ра­зо­ва­нию ок­сид­ных (гид­ро­ксид­ных) сло­ёв на по­верх­но­сти ме­тал­лов и не­ме­тал­лов, та­ких как крем­ний. В пре­де­ле та­кие ре­ак­ции за­тра­ги­ва­ют толь­ко ато­мы, рас­по­ло­жен­ные не­по­сред­ст­вен­но на по­верх­но­сти, вслед­ст­вие че­го, напр., по­верх­ность крем­ния или крем­не­зё­ма (SiO₂) со­став­ле­на из ато­мов крем­ния, свя­зан­ных с гид­ро­ксиль­ной груп­пой Si─OH. Ха­рак­тер­ные осо­бен­но­сти меж­фаз­ной гра­ни­цы – её бо́льшая де­фект­ность по срав­не­нию с объ­ё­мом фа­зы за счёт вы­сту­пов, впа­дин и дис­ло­ка­ций и не­од­но­род­ность на­хо­дя­щих­ся на по­верх­но­сти час­тиц вслед­ст­вие их разл. ок­ру­же­ния.

Сре­ди мно­го­чис­лен­ных групп хи­мич. ре­ак­ций, про­те­каю­щих на меж­фаз­ной гра­ни­це, мож­но вы­де­лить сле­дую­щие. 1) Про­цес­сы де­гра­да­ции и рос­та фа­зы, ко­то­рые все­гда про­те­ка­ют на меж­фаз­ной гра­ни­це. К ним от­но­сят­ся про­цес­сы рас­тво­ре­ния, окис­ле­ния, кри­стал­ли­за­ции и т. п. 2) Про­цес­сы, в ко­то­рых меж­фаз­ная гра­ни­ца слу­жит ме­стом осу­ще­ст­в­ле­ния ре­ак­ции, но са­ма при этом не из­ме­ня­ет­ся. К ним от­но­сят­ся, напр., ре­ак­ции в ад­сор­би­ро­ван­ных сло­ях и элек­трод­ные про­цес­сы, в ко­то­рых не про­ис­хо­дит об­ра­зо­ва­ния но­вой фа­зы. По­верх­ность при этом мо­жет иг­рать ак­тив­ную роль, как, напр., в слу­чае ге­те­ро­ген­ных ка­та­ли­за­то­ров. 3) Про­цес­сы це­ле­на­прав­лен­но­го из­ме­не­ния со­ста­ва и струк­ту­ры меж­фаз­ной гра­ни­цы для при­да­ния ей тре­буе­мых свойств; напр., мо­ди­фи­ци­ро­ва­ние по­верх­но­сти твёр­дых тел для из­ме­не­ния их лио­филь­но­сти и лио­фоб­но­сти, ад­сорб­ци­он­ных, ка­та­ли­тич., ад­ге­зи­он­ных, оп­тич., элек­трич. и пр. свойств. Это осу­ще­ст­в­ля­ют: на­не­се­ни­ем тон­ких, в пре­де­ле мо­но­мо­ле­ку­ляр­ных, сло­ёв др. фа­зы, напр., ме­то­да­ми Лен­гмю­ра – Блод­жетт, мо­ле­ку­ляр­но-лу­че­вой эпи­так­сии, хи­мич. оса­ж­де­ния из га­зо­вой фа­зы, по­ли­ме­ри­за­ции на по­верх­но­сти и т. д.; оки­с­ле­ни­ем, вос­ста­нов­ле­ни­ем, гид­ро­ли­зом и др. хи­мич. ре­ак­ция­ми, при­во­дя­щи­ми к из­ме­не­нию со­ста­ва по­верх­но­сти (в ча­ст­но­сти, её функ­цио­наль­ных групп); по­ли­ме­ра­на­ло­гич­ны­ми ре­ак­ция­ми, при­во­дя­щи­ми к из­ме­не­нию со­ста­ва по­верх­но­сти ор­га­нич. по­ли­ме­ров; ад­сорб­ци­ей не­ор­га­нич. ио­нов, мо­ле­кул ор­га­нич. или ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ний из жид­кой или га­зо­вой фа­зы; хе­мо­сорб­ци­ей (хи­мич. при­вив­кой) раз­но­об­раз­ных со­еди­не­ний за счёт об­ра­зо­ва­ния хи­мич. свя­зей мо­ди­фи­ка­то­ра с по­верх­но­стью и т. д. Все пе­ре­чис­лен­ные ме­то­ды под­ра­зу­ме­ва­ют воз­мож­ность даль­ней­ших транс­фор­ма­ций мо­ди­фи­ци­рую­ще­го слоя.

Для ис­сле­до­ва­ния со­ста­ва и струк­ту­ры меж­фаз­ной гра­ни­цы, а так­же про­текаю­щих в ней ре­ак­ций ис­поль­зу­ют ад­сорб­ци­он­ные и по­тен­цио­мет­рич. из­ме­ре­ния, тер­мо­гра­ви­мет­рич. ана­лиз, элек­трон­ную ска­ни­рую­щую и атом­но-си­ло­вую мик­ро­ско­пию, эл­лип­со­мет­рию, ИК-, УФ-, элек­трон­ную, ЯМР- и Оже-спек­тро­ско­пию, рент­ге­нов­скую фо­то­элек­трон­ную спек­тро­ско­пию, ди­фрак­цию мед­лен­ных элек­тро­нов, спек­тро­ско­пию ха­рак­те­ри­стич. по­терь энер­гии элек­тро­на­ми и мн. дру­гие.