1920年代，通用电气公司的化学和物理学家Irving Langmuir（1881—1957年）在研究了气体与固体表面的作用后，提出了一些至今仍被表面科学家们采纳的基本概念和思想，如清洁表面、单层化学吸附、吸附位置和吸附等温线、化学吸附等概念，以及物种之间相互作用的催化机理等理论。他还认为表面具有不均匀的特性。这些概念和理论的提出被认为是固体表面化学的第一次革命。1932年，Langmuir因他在表面化学方面的贡献而获得诺贝尔化学奖。

但表面科学要取得突破性进展，必须得有超高真空（Ultra-High Vaccum，UHV）等技术的支撑，因为只有在超高真空条件下，清洁表面的出现才有可能。其实，早在17世纪，真空技术就已经存在了，如著名的马德堡半球实验就利用了抽真空的技术。到了19世纪后期，真空泵（如活塞泵）及检测真空度的麦氏真空计的出现为Thomas Edison（1847—1931年）的碳丝白炽灯提供了技术保障。此时的真空可达13 Pa。进入20世纪后，德国人发明了旋转式真空泵、Langmuir发明了扩散泵。第二次世界大战时，人们已很容易获得1.3×10-4Pa的真空。在真空油和真空脂得到改进后，真空可逐步达到1.3×10-6Pa。但该值却超过了麦氏真空计的量程。于是，在1937年出现的热阴极电离规派上了用场。但10-6Pa的真空还是很难达到。在1950年，科学家们已经清楚地认识到，在能够获得10-6Pa的真空之前，不可能有严格意义上的表面科学。在避免使用玻璃和有机密封材料的基础上，人们采用金属材料制作真空容器，并将容器置于几百摄氏度的温度下烘烤。这样，在1950年代，人们就可常规地获得10-10～10-9Pa的超高真空。至此，表面科学的实验研究可以开始了。所以，表面科学的第二次革命可以说是从20世纪60年代开始的。在这段时间里，超高真空技术、宇航技术的发展为超高真空的获得提供了条件。Langmuir最初提出的清洁表面也可以得到了。

不仅如此，后来还出现了扫描隧道显微镜等技术。通过对这些技术，尤其是STM的利用，人们对表面物理化学过程的认识和控制开始达到原子尺度水平。这极大地推动了表面科学的发展。由此可见，技术对科学的发展是不可缺少的。技术为科学提供必要的条件，科学反过来又为技术的进步提供理论支持。

然而，一个新学科要被认可，其标志之一是要有该学科的学术期刊出版。表面科学之所以能成为一门学科，其原因之一就是有其专门的学术期刊。目前表面科学的主要期刊有以Irving Langmuir的姓命名的《Langmuir》，以及《Surface Science》《Applied Surface Science》等杂志。(www.daowen.com)

表面科学是研究在表面和界面上发生物理、化学过程的一门学科，它包括表面物理、表面化学。表面物理主要研究表面晶体学、表面重建和弛豫、表面扩散、表面电子结构和异质结结构等。表面化学主要研究发生在表面、界面的化学反应、表面吸附、表面电荷和表面双电层等。它与表面工程的关系非常密切。

表面工程是把表面科学的理论应用到工程领域的一门学科。在表面工程领域，材料表面经预处理后，再经涂覆、改性或多种技术的复合处理来改变材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要的表面性能。它涉及表面失效分析、表面摩擦与磨损、表面腐蚀与防护、表面（界面）结合与复合等。

由上述可知，表面科学和表面工程都是跨学科的新兴学科。它们的发展不仅在学术上丰富了材料学、冶金学、机械学、电子学等学科，而且还开辟了新的研究领域，如高能束冶金学、等离子物理学、摩擦化学、微观摩擦学等。在了解了表面与晶界、界面的关系后，我们来学习材料表面的结构特征。