В физике, технологии, технике

Внешние поверхности и границы раздела твердых тел, а также происходящие на них процессы интересны для физики, технологии и техники постольку, поскольку они определяют многие свойства материалов, важные в практическом отношении. Если разобраться во всем многообразии технологических и технических применений твердых тел, то окажется, что часто используются либо их поверхностные свойства либо свойства межфазных и иных внутреннихъ границ раздела.

К примеру, именно механические свойства поверхности часто используются в режущем инструменте (ножи, сверла, фрезы и т.д.). С другой стороны, именно с поверхности и межфазных границ чащще всего начинается коррозионное разрушение различных деталей и конструкций. Радиационное разрушение кристаллов, вызываемое воздействием заряженных частиц (ионов, электронов), также сначала происходит на их поверхности.

На поверхности некоторых металлов (никель, платина и др.) ускоряются многие химические реакции, идущие в жидкой или газовой фазе с малыми скоростями. Такое явление, называемое гетерогенным катализом, лежит в основе большого числа современных химических технологий.

Процессы, происходящие в поверхностных слоях, определяют силы трения в трущихся деталях. Эти же процессы задают прочность соединения твердых тел (например, при пайке или склейке деталей конструкций), а также смачивание и растекание жидкостей по поверхности.

Дефектность внутренних границ раздела (например, границ зерен в поликристаллах или межфазных границ в сталях и конструкционных сплавах) определяет коррозионную стойкость деталей и конструкций, их хрупкость и прочность, электрические, магнитные и др. свойства.

Качество и состояние поверхности полностью определяет свойства многих оптических устройств.

Чрезвычайно большое значение имеют технические аспекты физики поверхности в электронной технике, которая использует такие современные технологии преобразования поверхности, как молеку­лярная эпитаксия, ионное легирование, лазерная обработка материа­лов и др. В силу этого, для полупроводниковых приборов объем материала часто играет роль подложки, которую можно заменить на какую-либо другую. В тех же случаях, когда выбор материала диктуется его объемными свойствами, часто оказывается, что свойства естественной поверхности не пригодны для намеченного использования и возникает необходимость модифицировать их соответствующим образом или снабдить образец из выбранного материала искуственно созданной поверхностью, обладающей требуемыми свойствами.

Перечень примеров, демонстрирующих большую роль поверхности в технике и технологии и, соответственно, прикладную ценность исследований поверхности твердых тел, нетрудно продолжить.

Однако строение внешних и внутренних поверхностей, а также протекающие на них процессы представляют значительный интерес и для фундаментальных наук, прежде всего таких как физика, химия и биология. При адсорбции атомов или молекул на атомарно-гладкую и атомарно-чистую поверхность монокристаллов возникают двумерные системы квазичастиц, которые в зависимости от температуры, концентрации и особенностей их взаимодействия частиц могут находиться в различных "агрегатных" состояниях – в виде двумерного "газа", двумерной "жидкости" или двумерного "кристалла". Исследование таких двумерных фаз и фазовых переходов между ними составляет содержание важного и красивого раздела современной физики конденсированного состояния вещества. Получаемая при этом информация важна для понимания свойств сложных самоорганизующихся систем, состоящих из большого числа взаимодействующих частиц, что может быть использовано также в химии и биологии.

Сейчас трудно назвать какой-либо раздел естественных наук, который в той или иной степени не касался бы явлений на границах раздела твердых фаз. Не говоря уже об электронике и каталитической химии, проблема поверхности остро интересует специалистов в об­ласти конструкционных материалов (порошковая металлургия), маг­нитологов (новые магнитные материалы), оптиков и радиофизиков (пленочные слоистые структуры). Даже специалисты в области ядер­ной физики вынуждены иметь дело с явлениями на поверхности (проблема второй стенки термоядерного реактора). Большая армия биологов, геофизиков и геохимиков интенсивно изучает сложные межфазные процессы в мембранах клеток, в пористых неорганиче­ских и органических веществах.

Как уже отмечалось ранее в предисловии, большое место в физико-химии поверхности занимают вопросы электроники поверхности и ее взаимосвязи с по­верхностными атомными и молекулярными процессами. Это связано стем, что микро- и оптоэлектроника 90-х годов неудержимо стремится к увеличению степени интеграции твердотельных структур и к резкому уменьшению размеров их отдельных компонентов. Зарождается нано- и молекулярная электроника, когда размеры эле­ментов интегральных схем начинают приближаться к размерам малых кластеров из атомов и молекул. При этом резко возрастает вклад во все протекающие процессы поверхностей раздела между различными фазами. Физика этих систем становится неадекватной физике мас­сивных твердых тел, проблемы поверхностных явлений приобретают все большую актуальность. Прогнозы специалистов свидетельствуют, что XXI век станет веком расцвета наноэлектроники и не только в информатике, но и в других разнообразных областях жизнедеятель­ности человека. Ход событий указывает на возможности внедрения нано­электроники и нанороботов в такие разделы биологии и медицины, как генная инжене­рия, диагностика и управление кровеносной системой, искусствен­ное кодирование и многое другое. Несомненно, что прогресс в облас­ти наноэлектроники тесно связан с успехами физико-химии поверх­ности.