Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

overflade

Oprindelig forfatter HHA Seneste forfatter Redaktionen

Overflade. Perspektivisk illustration af kulilte (carbonmonoxid, CO, vist med rødt) adsorberet (kemisorberet) på overfladen af en nikkelkrystal i tættest mulig pakning. CO-molekylerne bindes til overfladen ved molekylære bindinger mellem kulstofatomerne og nikkelatomerne. Den laveste energi opnås, når Ni-C-O danner et lineært molekyle med en vinkel på 17° fra overfladenormalen skiftevis i to modsatte retninger.

Overflade. Perspektivisk illustration af kulilte (carbonmonoxid, CO, vist med rødt) adsorberet (kemisorberet) på overfladen af en nikkelkrystal i tættest mulig pakning. CO-molekylerne bindes til overfladen ved molekylære bindinger mellem kulstofatomerne og nikkelatomerne. Den laveste energi opnås, når Ni-C-O danner et lineært molekyle med en vinkel på 17° fra overfladenormalen skiftevis i to modsatte retninger.

overflade, i matematik randen af et rumligt legeme. Blandt massive (konvekse) legemer med et givet rumfang har kuglen den mindste overflade. Se også flade.

Fysiske overflader

I fysikken er en overflade skillefladen mellem et fast stof og en gas eller mellem en væske og en gas. I teknisk og videnskabelig litteratur bruges begrebet også om grænseflader mellem to faser i almindelighed, fx overfladen af en oliedråbe i vand (væske/væske), en sten på havbunden (fast stof/væske) eller et mineralkorn i en klippe (fast stof/fast stof).

Væskeoverflader kan karakteriseres ved en overfladespænding. Den skyldes, at atomer eller molekyler, der befinder sig på overfladen af væsken, ensidigt tiltrækkes af andre atomer eller molekyler inde i væsken. Der kan derfor vindes energi ved at flytte et atom eller molekyle fra overfladen ind i væsken, som derfor vil stræbe efter at gøre sin overflade så lille som muligt. En dråbe vil således uden anden påvirkning antage kugleform, som om den var omsluttet af en elastisk hinde. Anbringes en dråbe på en fast overflade, vil dens form afhænge af dens atomers eller molekylers vekselvirkning indbyrdes og deres vekselvirkning med den faste overflades atomer. Er denne vekselvirkning svag, vil dråben beholde sin kugleform (fx kviksølv på glas); er vekselvirkningen derimod kraftig, vil væsken brede sig over hele overfladen. Man siger da, at væsken "væder" overfladen (fx vand tilsat afspændingsmiddel på glas, sml. resultatet af maskinopvask med og uden tilsætning af afspændingsmiddel).

Annonce

For faste stoffer vil forskellige arrangementer af overfladens atomer give forskellig overfladespænding. Jo tættere atomerne på overfladen er pakket, jo større er deres bindingsenergi. Den rumlige konfiguration af et fast stofs atomer (krystalstrukturen) bestemmer derfor også makroskopiske krystallers ydre form. Krystallens energi minimeres ved, at den dannes ved vækst af tættest muligt pakkede overflader, samtidig med at den samlede overflade er mindst mulig. Afstanden mellem modstående parallelle sider af en makroskopisk krystal kan vises at være omvendt proportional med de pågældende fladers bindingsenergi for at opfylde minimeringsprincippet for energi (Wulffs regel).

Adsorption

En fast overflade i kontakt med atmosfæren vil altid have gasatomer eller gasmolekyler bundet til sig (se adsorption). Afhængigt af om bindingen er svag eller kraftig, taler man om fysisorption eller kemisorption. Grænsen mellem de to mekanismer sættes almindeligvis ved 0,7 eV pr. atom eller molekyle (15 kcal/mol). Således vil en ædelgas som argon fysisorberes på de fleste metaloverflader, mens vand- eller kuldioxidmolekyler vil kemisorberes, som regel med bindingsenergier på 2 eV/molekyle (45 kcal/mol). Konsekvensen er, at overflader, der har været udsat for atmosfærens indflydelse, aldrig vil være fuldstændig rene. Ønsker man at studere dem i deres rene form, må de anbringes i vakuum og renses. Rensning kan ske, ved at overfladen nydannes ved fordampning af atomer fra den, eller at den eroderes ved ionbeskydning (se sputtering).

Adsorberede atomer kan også fjernes ved opvarmning, men for at fjerne fx vand eller kuldioxid effektivt fra en metaloverflade må den opvarmes til mere end 300 °C i mange timer. Selv i et godt vakuum rammes overfladen til stadighed af restgasatomer og molekyler, der evt. adsorberes. Skal en ren overflade kunne studeres i en rimelig tid, må rensningen og undersøgelsen derfor foregå i et såkaldt ultrahøjt vakuum (UHV), dvs. ved et tryk på mindre end 10-8 mmHg. Så lave tryk har man kun systematisk kunnet frembringe siden 1960'erne, der derfor også markerer begyndelsen af moderne, eksperimentel overfladefysik.

Overfladers atomare struktur

Overfladers atomare struktur blev tidligere undersøgt med feltionmikroskop, men i dag bruges især scanning-tunnelmikroskoper til direkte afbildning af overflader. Mere indirekte bruges metoder som elektrondiffraktion eller molekyldiffraktion eller ionspredning. Se overfladespektroskopi.

Overfladestrukturen viser sig oftest ikke at være en simpel fortsættelse af den indre krystalstruktur. Overfladen siges da at være rekonstrueret. Den kan dog have bevaret det indres struktur, men således, at det yderste lag har en større eller mindre afstand til næstyderste lag, end det gælder for tilsvarende planer i krystallens indre. I dette tilfælde taler man om relaksation. For halvledermaterialer som fx silicium vil også elektronbåndstrukturen blive ændret ved overfladen. Herved opstår overfladetilstande, der er af stor teknologisk betydning for mange anvendelser inden for mikroelektronik.

I et flerkomponentsystem, fx en legering, vil de enkelte komponenter ofte have forskellig bindingsenergi. Det medfører, at den svagest bundne komponent vil have større koncentration på overfladen end i stoffets indre. Man taler i dette tilfælde om segregering af den pågældende komponent. Det kan have betydning for legeringens korrosionsegenskaber.

Overfladedefekter

På overflader findes fejl i den ordnede struktur ganske som i en krystals indre. Det kan være punktdefekter som manglende atomer (huller) eller adsorberede enkeltatomer eller lineære defekter som fx af form som kanter af trappetrin. Overfladefejl er vigtige for processer som sublimering og adsorption. Atomer ved kanten af trappetrin vil være bundet svagere end atomer indbygget i en plan overflade. Fordampning vil derfor hovedsagelig finde sted fra sådanne særlige positioner. Omvendt vil et atom, som er adsorberet på en plan overflade, diffundere mod den nederste kant af trappetrin eller ind i hjørner, hvor bindingsenergien er større. Endelig forekommer plane defekter, hvor et eller to atomare lag ved overfladen er uordnede, og hvor atomerne har stor bevægelighed. Det kaldes forsmeltning og forekommer i visse materialer. Det uordnede lags tykkelse vokser, når man nærmer sig stoffets normale smeltepunkt.

Med tunnelmikroskoper kan man direkte iagttage, hvordan trinene flytter sig ved tillejring af atomer, eller hvordan enkeltatomer bevæger sig på overfladen ved diffusion. Disse processer har betydning for overfladekemiske reaktioner som katalyse. For at få sådanne processer til at forløbe med stor effektivitet gælder det om at have en stor overflade i et lille volumen. Man kan fremstille substrater til katalyse med flere hundrede m2 overflade pr. gram stof.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Hans Henrik Andersen: overflade i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 21. april 2019 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=137150