Вступ (фраґмент)

Бурхливий розвиток нового наукового напряму фізика та хімія поверхні припадає на середину минулого століття, хоча інтенсивні дослідження явищ, які відбуваються на поверхні твердих тіл або на міжфазних поверхнях розділу, почалися набагато раніше. Зазначимо, що більшість базових теоретичних понять нині достатньо добре розроблені. Прорив у цій галузі уможливився завдяки збігу цілої низки факторів, а саме розвитку надчутливих методів вивчення поверхні, появі швидкодіючої комп’ютерної техніки із новітнім програмним забезпеченням, а найголовніше, актуалізацією потреби та важливості таких досліджень. Фізика поверхні вивчає або атомарно-чисті поверхні монокристалів, хімічний склад та структура яких заздалегідь визначена, або поверхні кристалів, на які попередньо нанесено атоми адсорбату у контрольованих кількостях. Отже, більшість одержаних результатів стосується границь розділу систем “поверхня твердого тіла – вакуум”, “поверхня твердого тіла – пар”, тоді як підходи фізики та хімії поверхні стосуються дослідження систем “поверхня твердого тіла – робоче або насичувальне середовище”, коли вивчаються процеси, що відбуваються не тільки на зовнішніх, але і на внутрішніх поверхнях розділу і супроводжуються явищами фізичної адсорбції, хемосорбції, дифузії та реакційної дифузії.
Під поверхнею твердого тіла розуміють декілька зовнішніх атомних площин кристала, завтовшки близько 10 Å, атомна та електронна будова яких істотно відрізняється від такої в об’ємі кристала. Тим не менш властивості поверхні напряму визначають об’ємні властивості матеріалу. Змінюючи морфологічні ознаки будови поверхні, її хімічний склад, структуру, фазовий та енергетичний стан, можна керувати її фізико-механічними та функціональними властивостями. Це стало підґрунтям виникнення та розвитку ще одного нового науково-технологічного напряму – інженерії поверхні, що є інструментом для втілення означеної ідеології.
Відомо, що поверхня будь-якого тіла взаємодіє з навколишнім або робочим середовищем, властивості якого безперервно змінюються. Зміна властивостей середовища може призвести до розчинення, випаровування або плавлення поверхні. Це стосується конструкційних, інструментальних і функціональних матеріалів, а також більшості твердих тіл на Землі та в космосі. Майже все, що нас оточує, поволі, але неминуче змінюється та деградує, реалізуючи певний еволюційний маршрут.
Між атомами, молекулами твердого тіла і середовища відбувається конкурентна взаємодія з утворенням кластерів, які, як правило, адсорбуються на міжфазній границі розділу. Під час зіткнення кластерів між собою та із молекулами середовища частина з них зростає, а частина – розпадається. Причому вірогідність росту кластерів збільшується, а вірогідність розпаду зменшується відповідно до збільшення їхнього розміру. Це викликано тим, що у великих кластерів збільшується питома поверхня, де можуть закріпитися нові атоми або молекули адсорбованої речовини. В результаті цього в групі кластерів, кожен з яких то приєднує, то віддає молекули, поступово збільшується кількість великих кластерів, які адсорбуються поверхнею твердого тіла. Такі угрупування можна вважати зародками кристалізації, які з часом перетворюються на кристали твердої речовини.
Під час росту змінюється склад і структура кристалів, а в його об’ємі та на поверхнях розділу утворюються структурні дефекти. З часом кристали намагаються “залікувати” надлишок дефектів або позбутися їх відокремленням останніх у середовище. В такий спосіб форма та розмір кристалів поступово наближаються до рівноважних і поволі відбувається спонтанне впорядкування структури поверхні. Але на стадії закінчення росту кристалів вони все ж характеризуються істотною морфологічною, структурною і хімічною неоднорідністю.
Зазвичай після фазоутворення поверхня речовини потрапляє в змінене за складом середовище, тому продовжують змінюватись її будова і властивості, тобто починається процес деградації. Якщо в такому середовищі містяться елементи, здатні до топохімічних реакцій, то на поверхні формується плівка з нанокристалів продуктів реакції, яка поступово потовщується, що свідчить про топохімічну деградацію поверхні речовини. Зазвичай така деградація відбувається за час релаксації, співмірний із періодом релаксації складу середовища. Поверхня будь-якої речовини відгукується на стрибок властивостей середовища не миттєво, а з деяким запізненням, що пояснюється порівняно малою рухливістю атомів в твердих тілах.
Атоми або молекули, адсорбовані із середовища поверхнею твердого тіла, намагаються розташуватися у поверхневому шарі так, щоб утворити максимальну кількість зв’язків із його атомами. Це сприяє утворенню і розростанню в адсорбційному шарі двовимірних кластерів. На їхній поверхні виникають дисипативні структури, що відтворюють поведінку двовимірних кластерів, які, зароджуючись на певних кристалографічних напрямах твердого тіла, розростаються вздовж поверхні. Така квазістаціонарна структура поступається місцем новій дисипативній структурі, властивості якої залежать від інтенсивності підведення в систему енергії та речовини.
Книга охоплює найважливіші аспекти сучасної фізики та хімії поверхні на основі аналізу відомих літературних джерел та результатів дослідження автора у цій галузі. Зокрема, від першого до п’ятого розділу доводиться коректність концепції керованої зміни функціональних властивостей поверхні конструкційних матеріалів у результаті цілеспрямованого регулювання структурно-фазового та енергетичного стану їхніх поверхневих шарів. Можливе синтезування на поверхні структурних бар’єрів, градієнтна структура яких матиме певне функціональне призначення залежно від умов експлуатації. З використанням високоенергетичних методів інженерії поверхні показана роль структуроутворення із рідинно-металевого стану на рівень формування фізико-механічних властивостей поверхні. Розвинуто уявлення про роль поверхневих явищ, зокрема поверхневої сегрегації та самоорганізації поверхні, у керованому формуванні захисних бар’єрних шарів різного функціонального призначення.
Книга буде корисною інженерно-технічним та науковим працівникам, маґістрам, аспірантам, докторантам, що працюють в галузі матеріалознавства, металознавства і термічної обробки металів, фізики металів, фізичного матеріалознавства та прикладної фізики. Наведений у книзі матеріал можна використовувати у ВНЗ четвертого рівня акредитації під час викладання курсів лекцій “Фізика та хімія поверхні”, “Фізичне матеріалознавство”, “Фізико-хімічні основи поверхневої обробки”, “Фізика металів”, “Хімічні технології”, “Фізична хімія”, “Корозія та захист від корозії” тощо.

Про автора

ДУРЯГІНА Зоя Антонівна
Професор, доктор технічних наук. Професор кафедри інженерного матеріалознавства та прикладної фізики Національного університету „Львівська політехніка”. Спеціаліст у галузі металознавства та термічної обробки металів. Автор 155 статей, навчального посібника з грифом Міністерства освіти і науки України „Сплави з особливими властивостями”. Має 12 патентів України.