表面反应可以通过体积化学计量学来控制

新的研究表明，体性质对表面反应性有意想不到的影响。随着催化、储能和结构工程等广泛应用，这种新的反应控制模式可能会对整个应用科学产生重大影响。

尽管表面在日常生活中无处不在，但它们呈现出一个有趣的化学问题。“我们可以把体积定义为原子与它们的邻居结合在一起，就像任何远离表面的其他原子一样。但是表面原子，它们有悬浮键，这意味着它们有非常不同的性质，”解释道Izabela Szlufarska他是美国威斯康星大学的材料科学家。因此，表面反应性传统上被理解为原子在反应物-材料界面上相互作用的结果，反应控制仅限于顶层原子的结构和电子修饰。

然而，Szlufarska和她的威斯康星同事进行了新的模拟Jianqiξ揭示了某些体性质也会影响表面反应。利用从头算分子动力学，二人模拟了非晶碳化硅表面的氢分裂反应，并通过改变系统的化学计量学，能够调整块状材料的弹性特性。在反应过程中，表面以下的原子必须移动以容纳表面中间体，这意味着更有弹性的体系统能够更好地促进这些反应。这种弹性直接取决于结构内部的键强度:富碳体系包含许多强碳-碳键，使得合成的大块材料坚硬，而富硅体系由于普遍存在较弱的硅-硅键，因此弹性要大得多。

然后，Szlufarska通过测量每个不同化学计量体系的反应能来确定这些体修饰的效果。她解释说:“Jianqi提出了一种非常有创意的计算方法，使我们能够将电子能量贡献与刚度引起的机械贡献分开。”

这是一件很好的作品，”评论道斯蒂芬•詹金斯他是英国剑桥大学的理论表面化学家。“但这些机械作用可能仍然在最上面的几个原子层内，所以它基本上仍然是一种表面效应，而不是整个大块材料。”斯卢法斯卡也认为，这很可能是一种局部效应。她解释说:“它通常在距离表面几纳米的范围内。”“重要的是，这个区域没有表面性质。“不管范围如何，对于表面化学家来说，这仍然是一个有价值的工具，因为体性质比表面性质更容易控制，也更便宜。”

“这些计算方法变得如此强大，它们真的可以告诉实验者什么是值得研究的，”他说Andrzej Kotarba他是波兰雅盖隆大学的实验表面化学家。“这是一篇鼓舞人心的论文，但重要的是，现在你可以通过实验来验证模拟，而这实际上是这里所缺乏的。这两名研究人员渴望与实验人员携手合作，并希望其他研究人员能够采纳这一想法，并在他们自己的系统上进行测试。“我们认为这是一个更广泛的现象，”兹卢法斯卡说。“我们的计划是看看这将如何应用于其他材料或材料类别，以开发催化应用。”我们希望这将为以一种新的方式控制化学反应打开大门。”