Surface des solides. Physisorption - Chimisorption - Ségrégation

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 :

• à diminuer l'étendue de cette surface ;

• à réagir avec les molécules de l'atmosphère ambiante pour former une couche dite d'adsorption  ;

• à faire ségréger en surface l'élément du solide qui a la plus faible énergie superficielle ;

• 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...