Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les applications des phénomènes interfaciaux sont extrêmement nombreuses et d'une importance économique considérable, pour exemple la catalyse hétérogène en pétroléochimie, ou la miniaturisation des systèmes en industrie électronique. En effet, les atomes se trouvant à la surface d'un solide ou d'un liquide présentent une coordinence moins importante que ceux situés au cœur de ce système : ils confèrent à la surface des propriétés tout à fait spécifiques. Cet article introduit des notions de thermodynamique des surfaces avant de se focaliser sur la compréhension de deux phénomènes physiques et physico-chimiques de surface, l'adsorption et la ségrégation. Il s’attarde également sur les conditions d’obtention des transitions de phase bidimensionnelle.
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The applications of interfacial phenomena are extremely numerous and are of great economic importance, such as the heterogeneous catalysis in petroleochemistry or the miniaturization of systems in the electronic industry. Indeed, the atoms at the surface of a solid or a liquid present a lesser coordinations than those at the core of this system; they provide the surface with very specific properties. This article present notions of surface thermodynamics before focusing on the understanding of two surface physical and physico-chemical phenomena: adsorption and segregation. It also deals with the conditions for obtaining two-dimensional phase transitions.
Auteur(s)
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Didier ROUXEL : Maître de Conférence au laboratoire de Physique des Milieux ionisés et Applications (LPMIA) – UMR 7040, Université Henri Poincaré Nancy I
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Bernard WEBER : Directeur de Recherche au CNRS, LPMIA – UMR 7040, Université Henri Poincaré Nancy I
INTRODUCTION
Le domaine des surfaces revêt une importance particulière car tout corps, liquide ou solide, interagit avec le milieu ambiant à travers la surface qui le délimite. Or, les atomes se trouvant à la surface d'un solide ou d'un liquide présentent une coordinence moins importante que ceux situés au cœur de ce système. On conçoit donc que ces atomes confèrent à la surface des propriétés tout à fait spécifiques. Ainsi, l'énergie nécessaire pour augmenter la surface d'un solide est toujours positive, ce qui a pour conséquences, entre autres, que les systèmes condensés ont tendance, pour minimiser cette énergie de surface :
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à diminuer l'étendue de cette surface ;
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à réagir avec les molécules de l'atmosphère ambiante pour former une couche dite d'adsorption ;
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à faire ségréger en surface l'élément du solide qui a la plus faible énergie superficielle ;
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ou à conduire à des relaxations superficielles (modification des distances entre les plans cristallins), voire donner lieu à de profondes reconstructions superficielles.
Ces propriétés particulières donnent aux systèmes dispersés (présentant une grande surface spécifique) un rôle important dans des domaines très divers de la physique, de la chimie, mais aussi de la géologie et de la biologie. Certaines réactions chimiques, thermodynamiquement possibles, sont accélérées, ou sont favorisées quand elles sont en compétition avec d'autres réactions possibles, grâce à la surface de certains solides. Ce phénomène, la catalyse hétérogène, revêt une importance cruciale, par exemple en pétroléochimie. Des remarques analogues pourraient être faites dans les domaines de la métallurgie, de la corrosion, de l'adhésion et de la rupture des solides, de la lubrification, de la tribologie, de la croissance cristalline, de l'électronique, des microsystèmes , etc. À la limite, dans les nanosystèmes, quand le nombre d'atomes « de surface » devient équivalent, voire supérieur, au nombre d'atomes « de volume », la notion même de surface, comme délimitant un corps ou une phase, perd de son sens et la physique elle-même peut changer de nature.
Le présent article traite plus particulièrement de l'adsorption et de la ségrégation. Pour un panorama général de ces phénomènes et de leurs applications, on pourra consulter les ouvrages cités au § 1.
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Présentation
Présentation générale des phénomènes8. Conclusion
Les applications des phénomènes interfaciaux sont extrêmement nombreuses et d'une importance économique considérable : ne citons que le domaine de la catalyse hétérogène entre autres en pétroléochimie, celui des industries électroniques et informatiques avec la miniaturisation des systèmes qui rend de plus en plus importantes les propriétés de surface par rapport à celles de volume, ou les phénomènes de corrosion et d'usure qui coûtent annuellement à nos pays développés de l'ordre de 5 % de leur P.I.B. Leur compréhension grâce en particulier à la science des surfaces est ainsi nécessaire.
En quarante ans environ de développement, cette science des surfaces est heureusement parvenue à maturité, malgré les difficultés immenses qu'elle présente tant dans ses aspects théoriques qu'expérimentaux. Une des raisons de ces difficultés en est qu'à son voisinage le solide perd sa symétrie tridimensionnelle sans pour autant acquérir une symétrie bidimensionnelle sauf dans des cas particuliers (adsorption de Xe sur graphite par exemple, voir section 5.4). Une autre raison provient du fait qu'il est difficile de sonder une surface pour l'étudier expérimentalement sans la perturber. Ces raisons justifient le fort développement actuel des études par simulation numérique.
Après la compréhension des phénomènes de surface sur des systèmes modèles, et la maîtrise des phénomènes physiques et physico-chimiques (physisorption, chimisorption, ségrégation, reconstruction de surface, croissance cristalline, réseaux de défauts, surfaces vicinales, etc.), les recherches n'hésitent plus aujourd'hui à s'attaquer à des systèmes plus complexes avec l'objectif de préparer et contrôler des surfaces présentant des propriétés fonctionnelles. Ainsi l'étude des interactions matière organique-surface métallique (greffage de molécule organique) et même biomolécules-surfaces solides est en plein développement.
La science des surfaces trouve également un prolongement particulier dans les nanosciences et nanotechnologies, en prenant garde, comme signalé dans l'introduction, qu'en dessous d'une certaine taille la notion même de surface peut perdre sa signification et les supports théoriques leur pertinence. Citons cependant le cas des matériaux nanocomposites (nanoparticules/matrice polymère par exemple) dans lesquels, plus la taille des objets diminuant, plus le rapport surface/volume augmentant,...
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Métallographie par diffraction des rayons X, des électrons et des neutrons
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Résolution d'une structure cristalline par rayons X
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Méthode de microanalyse des surfaces et couches minces
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