Principios Fundamentales de la Ciencia de Superficies y Materiales Avanzados

Promotores

Los promotores anclan con más fuerza los átomos o moléculas, se modifica la superficie y se necesitan mayores temperaturas (T) para que haya desorción. Además, cuando se añaden promotores, la adsorción es menor porque se quitan sitios de adsorción. En elevadas T, las ecuaciones son:

• Rads = Kads * P * (1 - ϴ)
• ϴ = σ / σ0
• Rdes = Kdes * ϴ
• Cuando Rads = Rdes, entonces ϴ = KP / (1 + KP)

Para un alto recubrimiento: ϴ = 1.

Pegado

El coeficiente de pegado depende de los sitios libres en la superficie. Analizando las pendientes podemos obtener las entalpías de adsorción y desorción. La tercera (referencia implícita) se desorbe con más fuerza. El coeficiente de pegado aumenta cuando la pendiente es menor.

Ángulo de Contacto

El ángulo de contacto (ϴ) se define como: ϴ = arccos((γSG - γSL) / γLG).

Para una superficie hidrófoba: ϴ > 90°. En este caso, cos(90°) = 0, lo que implica (γSG - γSL / γLG) = 0, y por tanto, γLG > γSG - γSL.

Catálisis

El catalizador está hecho de Fe. Es un catalizador de amoniaco donde el Fe de la capa más externa tendrá superficies específicas de preferencia de adsorción y disociación del N y, por tanto, la tasa más alta para la síntesis de NH3. Para el resto de superficies, el rendimiento no es satisfactorio; es por esto que se usan ciertos elementos promotores para conseguir mayor actividad catalítica.

El elemento activo de la síntesis es el KO, debido a que actúa como un promotor electrónico y reduce el óxido de Fe a Fe metálico. El K aporta una carga +1 y el O una -2; de esta forma, el electrón (e-) sin enlazar reduce el Fe. El K provoca un aumento en la velocidad de reacción, alterando la concentración en estado estacionario de los intermetálicos.

El CaO y el Al2O3 estabilizan el tamaño de la partícula y aumentan el área superficial del catalizador; se les denomina promotores estructurales.

Barrera E-S (Energía-Superficie)

La barrera E-S aparece cuando un átomo difunde hasta el límite de una terraza y llega al escalón, donde debería difundir a la terraza del nivel inferior si existe una vacante y para reducir su energía. Para pasar de una terraza a otra, debe superar la barrera E-S, que es superior a la energía de difusión.

Solo los átomos que superen esta barrera pasarán a la terraza inferior, obteniendo el máximo de energía de adsorción debido a que está rodeado de más átomos.

Presión

Los procesos industriales se realizan a presiones (P) entre 1 bar y varias centenas de bares. Por el contrario, las investigaciones clásicas de la ciencia de superficies se han restringido al vacío, entre presiones de 10⁻⁴ y 10⁻¹⁰ mbares. Esta incertidumbre produce el famoso problema de la brecha de presión en catálisis.

Péptido

Las interacciones dipolares entre el péptido y la superficie pueden ser de hidrófilo a hidrófilo. Las partes C-H y O-H son hidrófobas, mientras que la parte N-H del péptido es hidrófila.

Deposición Física de Vapor (PVD)

La PVD (Deposición Física de Vapor) confiere propiedades superficiales especiales como mecánicas, ópticas, físicas, químicas, electrónicas y magnéticas. La temperatura (T) suele ser de 200-400 °C y el espesor entre 1-5 micras, con una dureza entre 1000-2000 HV. La CVD (Deposición Química de Vapor) permite mayores espesores y mayor adhesión.

Técnicas de PVD:

• Evaporación térmica
• Sputtering: Es la técnica más empleada en decoración, adhesión, rugosidad y temperaturas bajas; es un proceso lento pero eficaz.
• Arco eléctrico: Permite la deposición de materiales como TiN, TiCN, CrN, ZrN, AlTiN, DLCs. Ofrece mayor dureza y adhesión que el sputtering, con temperaturas entre 200-500 °C. Es más económico, rápido, estable y eficaz. El problema son las microgotas que aumentan la rugosidad, pero con un arco de cátodo rotativo se reducen.

El recubrimiento que más dura es el nACo (nanocomposite de AlTiN), utilizado en aeronáutica para Inconel 718 (TiNi).

Superhidrofobicidad

La superhidrofobicidad se consigue cuando el ángulo de contacto (ϴ) es > 150°, manifestando el famoso efecto flor de loto. Se amplifica el efecto de la tensión superficial del agua, haciendo que la superficie sea superhidrofóbica.

Estas superficies son muy resistentes e higiénicas; se evita la adherencia de grasa y la corrosión de los metales por el agua salina. Además, se evita la condensación de agua y la formación de hielo en climatologías extremas.