Adsorción, Propiedades Ópticas y Aplicaciones en Superficies: Una Revisión

Tipos de Adsorción

El modelo de Langmuir establece que las moléculas se adsorben desde la fase gaseosa en cuanto alcanzan un lugar libre de la superficie. Existen varios tipos de adsorción:

• Fisisorción: No se forma un enlace químico; es una interacción dipolar y débil. Tiene lugar a muy bajas temperaturas. Las energías involucradas son tan débiles que a temperaturas elevadas se produce la desorción.
• Quimisorción: Hay transferencia de carga de los orbitales moleculares con los electrones del sustrato. Es una interacción fuerte, que puede ser disociativa. Los electrones del átomo reaccionan con los cercanos al nivel de Fermi del sustrato, dando lugar a un ion complejo. Además, se pueden dar cambios en la densidad de estados.
• Desorción: La morfología de la superficie influye mucho en este proceso. Es más difícil que desorban átomos en defectos o escalones; estos necesitan mayor temperatura. En superficies escalonadas, se desorben antes los átomos de las terrazas. La desorción ideal ocurre cuando a una temperatura determinada se desorbe todo el material. En la desorción recombinativa, cada molécula se desorbe a la misma temperatura, pero algunas se vuelven a adsorber y luego se vuelven a desorber, por eso los picos se desplazan a la derecha.

Difusión Superficial

La difusión en superficies puede ocurrir a través de varios mecanismos:

• Saltos simples:
  • Exchange: Un átomo desplaza a otro y lo saca de su posición.
  • Hopping: Un átomo ocupa una posición adyacente vacía.
• Anisotropía: Existen canales de difusión preferentes (110).
• Saltos largos o correlacionados: Se forma una falta de apilamiento.
• Relajación: Se reduce la tensión de línea porque aumentan los átomos enlazados.
• Efecto Ehrlich-Schwoebel (E-S): Barrera energética adicional para la difusión en bordes de escalones.

Síntesis de Amoníaco (NH3)

El FeO se utiliza como catalizador, pero en la superficie solo hay Fe. La superficie más activa es la (111), seguida de la (211). Las orientaciones más activas son las que más adsorben y disocian. Cuanto mayor es la exposición de N, menor es la capacidad de síntesis de NH3. El Al₂O₃ actúa como promotor estructural y el K como promotor electrónico (acelera el mecanismo).

Fotocatálisis

Las superficies con alta energía superficial en aire son hidrofílicas, mientras que las de baja energía son hidrofóbicas. La hidroxilación es un paso previo importante para obtener una superficie hidrofóbica y evitar la condensación de agua; esto se consigue creando defectos en ella.

Propiedades Ópticas y Recubrimientos

Se pueden modificar las propiedades ópticas de una superficie usando películas delgadas y multicapas, ataques químicos, cristales fotónicos, etc. Los principales tipos de recubrimientos ópticos son:

• Recubrimientos antirreflectantes: El índice de refracción es casi igual al del aire, por lo que la radiación no experimenta diferencias apreciables en su propagación al pasar de un medio a otro, y por tanto, se reduce o elimina la reflexión. Suelen estar hechos de una capa de sílice que presenta una microestructura columnar de tamaño nanométrico inclinada 45º. Se puede reducir e incluso eliminar la reflexión en todo el intervalo del espectro visible, independientemente del ángulo de incidencia de la luz (aplicaciones: lentes oftálmicas, cámaras, celdas solares, sensores).
• Recubrimientos de alta reflectividad: Estructura bicapa de dos materiales de alto y bajo índice de refracción que se repite en el espacio. Si se recubre un espejo metálico con este tipo de recubrimiento, se puede conseguir una reflectividad muy elevada (>90%).
• Recubrimientos decorativos: Recubrimiento más duro que el material base. Aumenta la vida útil y lo protege. Se utiliza en interiores y exteriores de coches, joyas, relojes o baños. El color de una lámina delgada en transmisión o reflexión es crítico. El espectro visible abarca de 380 a 760 nm. En un recubrimiento basado en bicapas, en incidencia normal se vería rojo; si se cambia el ángulo de incidencia, el máximo de reflectividad se desplaza a longitudes de onda menores, viéndose verde-azulado. Los recubrimientos *ChromaFlair* cambian de color según el ángulo de incidencia debido a efectos de interferencia.