Surface bonding : from molecules to microparticles

Abstract

Surfaces play an active role in many applications ranging from molecular level to macroscopic phenomena. On a molecular level, surface bonds are utilized e.g. in catalysis, sensor applications and coating technology. Bonds in the molecular level are usually formed between single atoms with very limited interaction range originating from the charge transfer between the species. On the macroscopic side, surfaces or interfaces between bulk objects have interaction even when the surfaces are inert in the chemical sense. The attractive interaction is caused by long range electrostatic forces acting on the whole interface. However, the interactions between bulk objects are usually localized in the range of hundreds of nanometers or some micrometers due to the surface roughness present on all practical surfaces. This interaction is exploited e.g. in pharmaceutical industry but it has also disadvantages e.g. in energy production, where ash particles contaminate heat exchanger surfaces.

This work consist of two parts including studies with a well defined surface in ultra high vacuum and studies with practical surfaces in ambient conditions.

Low energy electron diffraction (LEED) has been utilized in determination of the adsorption structures of benzene on Co(0001) surface. The adsorption geometry has been studied using tensor LEED and Density Functional Theory calculations. The studies revealed two adsorption structures in different temperatures. The saturation coverage is 0.143 monolayers and the benzene ring lays flat on an hcp site. The carbon–hydrogen bonds of the benzene ring are slightly bend away from the substrate.

Adhesion of small oxide particles to oxide surfaces has been studied using scanning force microscope. The surface geometry was observed to play very important role in the adhesion. Particularly, the relative lengthscale of the particles and surface features has an important effect. A new model for estimating adhesion on rough surfaces has been developed. By tuning the surface features, the strength of adhesion may significantly be changed. Adhesion in humid conditions has been studied experimentally as well as with numerical simulations. In humid conditions, when the surfaces are hydrophilic, a capillary bridge forms between the particle and the surface increasing the adhesion. The bridge changes the nature of adhesion from van der Waals type to surface tension induced adhesion. The shape and size of the particle and the geometry of the surface all contribute to the adhesion behavior in humid conditions.

Pinnoilla on merkittavä vaikutus moniin sovelluksiin molekyylitasolta aina makroskooppisiin ilmiöihin saakka. Molekyylitason sitoutumista pintoihin käytetään hyväksi mm. katalyyttisissä prosesseissa, antureissa ja pinnoitustekniikoissa. Yksittäisten molekyylien ja pinnan väliset sidokset aiheutuvat varausten vaihdosta molekyylin ja pinnan atomien välillä, mistä johtuen sidokset ovat hyvin paikallisia. Myös kiinteiden, makroskooppista kokoluokkaa olevien kappaleiden välillä esiintyy vuorovaikutusta, vaikka ne olisivatkin sähköisesti neutraaleja ja kemiallisesti inerttejä. Tämä vuorovaikutus aiheutuu pitkän kantaman dipolivuorovaikutuksesta. Vaikka nämä voimat vaikuttavat kappaleiden koko rajapinnan alueella, käytännössä vaikutus rajoittuu maksimissaan muutamien satojen nanometrien kokoisiin saarekkeisiin pintojen pienten epätasaisuuksien vuoksi. Tämän vuoksi dipolivuorovaikutuksella on merkitystä lähinnä korkeintaan mikrometrien kokoluokkaa olevien kappaleiden välillä.

Tämä työ koostuu kahdesta osasta. Ensimmäisessä osassa pinnan vuorovaikutuksia on tutkittu ultratyhjiöolosuhteissa mallipinnan avulla ja toisessa normaaliolosuhteissa käyttäen realistisia pintoja.

Bentseenin adsorptiorakenne Co(0001) pinnalla määritettiin kokeellisesti käyttäen matalaenergisten elektronien diffraktiota. Kokeellisten tulosten lisäksi käytettiin tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvaa mallinnusta. Tutkimus paljasti kaksi mahdollista adsorptiorakennetta eri lämpötiloissa. Saturaatiopeitoksi saatiin 0.143 kerrosta. Tarkempi analyysi paljasti bentseenirenkaan makaavan pinnan hcp-paikalla lappeellaan hiili–vety -sidokset hieman pinnalta pois päin taipuneina.

Pienten hiukkasten tarttumista pintoihin tutkittiin suorin, atomivoimamikroskoopilla suoritetuin voimamittauksin. Pinnan epätasaisuuksilla havaittiin olevan suuri merkitys hiukkasten tarttumislujuuteen. Erityisesti hiukkasten koko verrattuna pinnanmuotojen dimensioihin on määräävässä asemassa. Hiukkasen ja epätasaisen pinnan välisen voiman arviointiin kehitettiin uusi malli, joka ottaa huomioon pinnan epäideaalisuudet. Ilman kosteuden vaikutusta hiukkasen ja pinnan väliseen vuorovaikutukseen tutkittiin laskennallisin ja kokeellisin menetelmin. Kosteasta ilmasta tiivistyy vettä hydrofiilisille pinnoille. Tällöin hiukkasen ja pinnan väliseen rajapintaan muodostuu nestesolu, joka muuttaa hiukkasen ja pinnan välistä vuorovaikutusta varjostaen dipolivuorovaikutusta ja tuoden mukaan uuden, pintajännityksestä aiheutuvan komponentin. Hiukkasen koko ja muoto sekä pinnan geometria määräävät millainen näiden välisen voiman kosteusriippuvuus on.