표면화학 역사와 다양한 분야의 사례

 

1. 표면화학 역사

 

볼프강 파울리(Wolfgang Pauli)는 물질 표면 연구의 복잡성과 어려움을 설명하면서 "표면은 악마가 발명했다"고 말한 적이 있습니다. 이것은 근본적인 질문을 던집니다.

 

재료의 표면이란 무엇일까요?

가장 간단한 정의는 하나의 물질을 구성하는 원자들이 새로운 물질의 원자들과 경계를 이루는 곳입니다. 만약 표면이 재료의 원자 중 가장 바깥쪽 층으로 여겨진다면 입방 센티미터당 약  10²³개의 원자들로 구성된 물질의 부피와 비교하여 평균적으로 1 제곱센티미터 당 10¹⁵개의 원자로 구성되어 있습니다. 표면 화학은 세포벽과 세포막에서 발견되는 생물학적 인터페이스에서의 효소 반응, 컴퓨터에 사용되는 마이크로칩의 표면과 인터페이스에서의 전자 장치, 자동차 배기가스 정화에 사용되는 촉매 변환기에서 사용되는 불균일 촉매와 같은 많은 중요한 화학반응에서 중요합니다.

 

현대 표면 화학의 발전은 1960년대 초 벌크 원자에 비해 적은 수의 표면 원자를 감지하는 데 필요한 도구(주로 전자 기반 분광법을 통해)가 가능해지면서 시작되었습니다. 거의 30년 후, 서로 다른 환경 조건에서 표면의 화학적 변화를 볼 수 있는 기능을 제공하는 스캔 프로브 현미경(Scanned probe microscopy)이라는 새로운 종류의 도구가 개발되면서 표면 화학 연구는 또 다른 활력을 얻기 시작했습니다. 이러한 도구는 표면에서 원자 위치의 직접적인 3차원 매핑을 허용한 최초의 도구였습니다. 이 기술은 과학자와 엔지니어에게 원자 및 분자 수준에서 표면 화학을 직접 검사하고 수정할 수 있는 능력을 제공함으로써 표면에 대한 관점을 바꾸었습니다.

 

 

2. 다양한 분야에서의 표면연구 사례

 

1) Chemistry at Interfaces(계면에서의 화학)

표면 화학은 계면에서의 화학 반응 연구로 정의할 수 있습니다. 이는 표면이나 계면의 특성을 개선하거나 원하는 다양한 효과를 내는 선택된 원소나 작용기를 통합하여 표면의 화학적 조성을 수정하는 것을 목표로 하는 표면 공학과 밀접한 관련이 있습니다. 표면 과학은 불균일 촉매, 전기 화학 및 지구 화학 분야에서 특히 중요합니다.

 

2) Physics(물리학)

표면 물리학은 인터페이스에서 발생하는 물리적 상호 작용에 대한 연구로 정의할 수 있습니다. 표면 화학과 중복되는 내용이기도 합니다. 표면 물리학에서 조사된 일부 주제에는 마찰, 표면 상태, 표면 확산, 표면 재구성, 표면 포논(Phonons) 및 플라즈몬(Plasmons), 에피택시(Epitaxy), 전자의 방출 및 터널링(Tunneling), 스핀트로닉스(Spintronics), 표면에서 나노구조의 자기 조립이 포함됩니다. 표면에서 프로세스를 조사하는 기술에는 표면 X선 산란(Surface x-ray scattering), 스캐닝 프로브 현미경(Scanning probe microscopy), 표면 강화 라만 분광법(Surface enhanced Raman spectroscopy) 및 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)가 포함됩니다.

 

3) Catalysis (촉매 작용)

기체 또는 액체 분자가 표면에 달라붙는 것을 흡착이라고 합니다. 이는 화학 흡착 또는 물리 흡착 때문일 수 있으며 촉매 표면에 대한 분자 흡착 강도는 촉매 성능에 매우 중요합니다. 그러나 복잡한 구조를 가진 실제 촉매 입자에서 이러한 현상을 연구하기는 어렵습니다. 대신, 백금과 같은 촉매 활성 물질의 잘 정의된 단결정 표면이 종종 모델 촉매로 사용됩니다. 다성분 재료 시스템은 촉매 활성 금속 입자와 지지 산화물 사이의 상호 작용을 연구하는 데 사용됩니다. 이들은 단결정(single crystal) 표면에 초박막 또는 입자를 성장시켜 생성됩니다.

이러한 표면의 구성, 구조 및 화학적 거동 사이의 관계는 분자의 흡착 및 온도 프로그래밍 탈착(Temperature-programmed desorption, TPD), 주사 터널링 현미경(Scanning tunning microscopy, STM), 저에너지 전자 회절(Low energy electron diffraction) 및 Auger 전자 분광법(Auger electron spectroscopy)을 포함한 초고진공 기술을 사용하여 연구됩니다. 결과는 화학 모델에 입력하거나 새로운 촉매의 합리적인 설계에 사용할 수 있습니다. 표면 과학 측정의 원자 규모 정밀도로 인해 반응 메커니즘도 명확해질 수 있습니다.

 

4) Electrochemistry (전기화학)

전기화학은 고체-액체 또는 액체-액체 계면에서 인가된 전위를 통해 구동되는 프로세스에 대한 연구입니다. 전극-전해질 계면의 거동은 전기 이중층을 형성하는 계면 옆의 액상 이온 분포에 의해 영향을 받습니다. 흡착 및 탈착 현상은 분광법(Spectroscopy), 스캐닝 프로브 현미경(Scanning probe microscopy, SPM) 및 표면 X선 산란(Surface X-ray scattering)을 사용하여 적용된 전위, 시간 및 용액 조건의 함수로서 원자적으로 평평한 단결정 표면에서 연구할 수 있습니다. 이러한 연구는 순환 전압전류법과 같은 전통적인 전기화학 기술을 계면 공정의 직접적인 관찰과 연결합니다.

 

5) Geochemistry (지구화학)

철 순환 및 토양 오염과 같은 지질학적 현상은 광물과 환경 사이의 인터페이스에 의해 제어됩니다. 광물-용액 계면의 원자 규모 구조 및 화학적 특성은 X선 반사율(X-ray reflectivity), X선 정상파(X-ray standing waves), X선 흡수 분광법(X-ray absorption spectroscopy) 및 주사 탐침 현미경과 같은 현장 싱크로트론 X선 기술을 사용하여 연구됩니다. 예를 들어, 광물 표면에 대한 중금속(heavy metal) 또는 악티나이드(actinide) 흡착에 대한 연구는 흡착에 대한 분자 규모의 세부 정보를 밝혀 이러한 오염 물질이 어떻게 토양을 통해 이동하는지 또는 자연 용해-침전 주기를 방해하는지에 대한 보다 정확한 예측을 가능하게 합니다.