主题：【原创】从ERTL赢得2007化学炸药奖浅谈今日的表面化学 -- xman

从表面的定义出发，表面也就是一个面。但在表面发生的事不仅仅会影响到那一个面，还好向下传播影响。少则一两层(2-3 A)，多则一二十层(20-30 A)。

信号检测器传回来的信息，你怎么知道这个信息是体相还是表相的呢？特别是体表2像物质的物理化学特性非常接近的时候？

就你的例子，如果在猫狗群中，我都给鱼骨头，估计猫咪和狗狗都要跳起来去抢，这个时候我就分辨不出谁是猫谁是狗了。

还有检测的输入的能量场如果在接触被检测物质之后产生衍射或者折射的现象，是不是就是造成信息失真？

您的这个检测系统让我想起来学习原子物理的时候，科学家经常食用中子啥的来轰击被观测原子，看看云室中激发出来的啥东西，好像蛮类似的？

总算在这个帖子里找到组织了。兄台硕士是在Weitering那里吗？俺是物理的。

顺便问一下，前面看老兄有找工作的打算，不知道我们表面人能在国内的公司里找到工作吗？

你说的是慕尼黑的Witterling吧？我是在Martin Henzler那里。

表面阿，就找化学或者电子企业的研发呗，要是你做过计算模拟的也可以去做投资银行的数量分析师之类的。

any more?

这两三周天气变化太大，先是小儿子反反复复发烧感冒两三次，接着LD也累病了，最

后终于要轮到我了。各位河友别急，我拿铁锹填坑

填坑也不迟啊

今日的表面化学(4)--表面化学的模型系统

上一次说到了，表面工作者是用什么样的实验手段研究表面。简而言之，有选择的

检测表面信号。那有了手段就赶紧着找个有代表性的研究系统(比如，重质油的催化

加氢)开工干活吧。"别急!" 老奸巨猾的表面工作者对炼厂的工程师说，"你的那个

体系太复杂，没法说清楚。我们必须先把它分解掉(break down)。" 实际的反应是，

多过十个碳的中型有机物，在负载于氧化物表面的贵金属颗粒的催化下，在高温(几

百摄氏度)高压(几个大气压)和氢气反应，生成较小的饱和碳氢化合物。对老奸巨猾

的表面工作者而言，这个实际体系是一个完完全全的"十谷粥" (一种由十种谷物熬

成的养生粥，少林寺和尚养身保健，居寺旅行之必备)，不折不扣的噩梦。所以他就

说了，我们要分离变量，一个一个的研究。首先，我们来看看氢气是如何于这个催

化剂相互作用的。工程师同意了。实际的催化剂是负载于复合氧化物颗粒表面的铂

钯合金纳米粒子(形像的讲复合氧化物就好像刺猬的躯干，铂钯合金就好像刺猬身上

的刺)。我们抓主要矛盾，先研究一下氢气在铂钯表面的反应吧。工程师又同意了。

为了简化问题，我们把铂和钯分开考虑，就先研究氢气在钯表面的反应吧。工程师

又同意了。在非真空条件下，表面很难保持干净，研究的结果不能代表氢-钯相互作

用，我们不如在超高真空条件下研究，这样每一次的实验都有一个好的起点。工程

师又同意了。最后为了我们的实验数据便于和理论计算结构相比较，以及能够利用

衍射技术，我们就用单晶表面吧。于时从最初的十谷粥噩梦，变成了研究在超高真

空条件下，氢气和单晶粑表面的相互作用。十年过去了，工程师们发现他们很难直

接利用表面科学的研究成功(都简化成那样了，能直接利用才怪了)。又十年过去了，

美国能源部发现再如此做下去就要成为为科学而科学了。于是在上个世纪末， 超高

真空、小分子、单晶表面的传统表面化学终于终结了。

感觉传统的表面化学就是一种自顶向下的瀑布式的研究方法，一个个的分解到单分子物质在单分子催化剂表面这样的情况下。由于这样的基础研究不能直接指导生产活动，因此在需求的推动下，研究方法转变为研究以大中型分子功能团为对象的研究方法，不再关心功能团内部的相互作用，仅仅把功能团看作有统一的行为模式或者物理化学特性的对象。这样研究成果才能在工业生产中直接被采用。

这样的发展道路是不是也可以看作演绎--归纳的模式？

一个时代的终结必定是另一个时代的开始。相对于超高真空、小分子、单晶表面的传

统表面化学，今日的表面化学正朝着 常压或高压，高温，中型分子或大分子，纳米

粒子表面的方向发展。 其中常压或高压和高温的服务对象是炼油，汽车尾气净化的

工艺；中型和大型分子的服务对象是微电子器件制造中的薄膜生长，光刻，侵蚀，以

及器件的表面修饰，和选择性吸附(比如蛋白质的分离)；纳米粒子表面主要服务对

象是各类的催化反应，空气净化， 以及各种的纳米技术。我曾经研究过一些中型分子(一

个有5个碳3个氧2个氮，另一个有14个碳)在不同金属表面的燃烧，加氢和热分解反

应。我的体会是，反应的复杂程度(或是可能的反应途径)随着分子中的非氢原子数

目成阶乘增长(n!)。如果没有前辈们在传统表面化学20年中积累(每一个官能团在表

面大约会如何反应)，现今研究中大分子无异于痴人说梦。因此传统小分子的研究起

到了一个数据库的作用，虽然它提供的数据不一定适用。

传统的单晶表面化学研究确确实实无法模拟实际反应中的许多重要变量和参数，比

如催化剂和载体的相互作用、催化剂颗粒的尺寸效应、以及表面缺陷等等。因此从

单晶表面而来的结论是十分靠不住的。比如，在室温下有毒的一氧化碳在黄金的单

晶表面是不会被氧气氧化成无毒的二氧化碳的，但是如果在颗粒小于4纳米的黄金上，

一氧化碳就会被氧气氧化成二氧化碳。再比如，乙烯在纯白金表面催化加氢成乙烷。

如果有一定量的一氧化碳存在，反应就不再进行了，这一现象叫做催化剂中毒。然

而，当白金负载于一些氧化物表面时，比如氧化铝，同等量的一氧化碳就不再能使

催化剂中毒了。然而，我们从单晶表面所获得的表面化学和物理知识却是最完备。

许许多多新的表面现象和反应机理新都是在单晶表面建立起来的。理论模拟计算更

是喜欢以单晶表面为基础了。同时单晶表面也为新的表面技术提供了一个演示的平

台。它就象一把尺子(Caliber)一样衡量着一项新的技术是否成功。

因为传统表征技术手段的限制，在很长的一段时间里，表面化学都是和超高真空连

在一起。超高真空研究其实忽略掉了气相和表相的相互作用。考虑到超高真空和实

际工业反应的压力差高达12、13个数量级，被忽略的相互作用很可能是不应当被忽

略的。今日的表面化学研究也证实了这一点。比如，在室温下，在高真空下一氧化

碳在白金表面是动态无序分布；而在几个大气压下，它在白金表面是分布变成了有

序。我个人认为，传统的超高真空研究的贡献在于为现代的表面研究提供了一个可

靠的的基础和比较的平台，也就是 Benchmark or Control (不知道对应中文的是什

么)。另外，它也比较接近于半导体工业常用的气相沉积和气相侵蚀工艺。很多的超

高真空研究成果可以直接被相应的沉积和侵蚀工艺所应用。

你的例子是系统A--普通研究系统，无法分辨体相和表面相。如果你用鱼骨头，就需要用信号歧视装置，比如那个有10cm孔的盖子。

这也就是为什么传统的表面表征技术都是在超高真空里的原因。另外，被检测物和检测器的相互作用是非常普遍的。最基本的处理方式是用标准样品标定。

的确是的。其实实验科学方法都是相通的。

自己得宝