物质科学探索新阶段：界面科学 | NSR

自十九世纪电灯发明以来，人类进入了电气时代。在这一时期，人们发展了一系列固体探测技术和基础理论，推动了电气技术的快速发展。然而，当时的研究主要侧重于具有结构周期性的晶体，而固体表面的非周期性和非连续性给人们带来了新的研究挑战。为了应对这一挑战，人们逐渐重视表面科学的研究，相继发展了一系列表面表征技术和相关理论，最终发明了晶体管。这一发明标志着信息时代的来临。随着科技的迅猛发展，物质科学进入了崭新阶段：界面科学。实际上，诸多具有深远影响的先进技术与界面科学密切相关。正如物理学家Herbert Kroemer所指出的，“界面即器件”。界面表征技术和相关理论的突破必将会引起物质科学的跨跃式发展。

从晶体到表面再到界面的物质科学发展

鉴于界面科学的重要性，国家自然科学基金会在2024年批准了“面向未来技术表界面科学基础”的重大研究计划。该计划立足于若干未来技术所涉及到的共性表界面科学问题，聚焦于固体功能体系的表界面构筑、探测与模拟，实现表界面结构与功能的精细调控，助力能源催化、界面超导和芯片器件等重大领域的发展，提升我国在关键技术领域的原始创新能力。近日，《国家科学评论》（National Science Review，NSR）在线发表了北京大学化学与分子工程学院吴凯教授和国家自然科学基金委交叉科学部戴亚飞教授等合作撰写的与该重大研究计划同名的综述文章—“Surface andInterfacial Sciences for Future Technologies”。

文章指出，界面在能源催化、界面超导和芯片器件等领域的重要性与界面自身特性息息相关。界面不仅能“无中生有”产生新物性，还可以调控物性使其“由弱变强”。这些特殊性质与界面态密切相关。界面态具有拓扑、位置和密度等基本属性，对界面的功能和性质有重大影响。例如，界面态拓扑是形成界面超导的重要考量，也决定了超导温度；界面态位置影响催化剂的活性；界面态密度直接影响器件性能。因此，建立界面态与界面功能之间的定量关系是界面科学研究中的关键问题，这有助于提升超导温度、提高催化效率和改善器件性能等。

界面态的一些基本属性：拓扑、位置和密度

由于界面具有非同质、非周期和非连续等复杂性，界面科学研究面临着诸如“看不见”（难以探测）、“算不准”（难以计算）、“做不好”（难以构筑）等挑战。为了应对这些挑战，界面科学的研究重点在于发展界面体系的精密探测工具、精确计算方法和精准构筑策略，深化界面态的理论和实验研究，形成界面科学研究的方法学和工具箱，为能源催化、超导技术和芯片器件等未来技术奠定坚实的表界面科学基础。

界面科学发展方向：界面的精密探测、精准计算和精确构筑