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

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。