Begrebet overflade støder man på i mange sammenhænge der involverer beskrivelse af fænomener i den fysiske omverden. Den abstrakte beskrivelse af begrebet overflade foregår i matematik. I fysik og tekniske videnskaber benyttes begrebet overflade på flere forskellige måder.
Overflade fra et matematisk synspunkt
I matematik er en overflade randen af et rumligt legeme. De interne geometriske forhold for en overflade undersøges som hos andre typer af flader. Det interessante ved en overflade fra et matematisk synspunkt ligger i overfladens relation til det rumlige legeme den omslutter.
Undersøgelser af sammenhængen mellem arealet af overfladen og rumfanget af det rumlige legeme er et fascinerende emne, som er centralt i flere matematiske områder, eksempelvis differentialgeometri og variationsregning. I et arbejde fra 1884 om isoperimetriske problemer, beviste den tyske matematiker H.A. Schwarz (1843-1921), at blandt alle massive (konvekse) legemer med et givet rumfang har kuglen det mindste overfladeareal. Ved en omvendt betragtning følger det heraf, at blandt alle massive (konvekse) legemer med et givet overfladeareal har kuglen det største rumfang.
Resultatet forklarer hvorfor tilnærmelser til kugleformen ofte ses i forbindelse med biologiske og fysiske fænomener, hvor forhold vedrørende overfladeareal og rumfang skal optimeres. Eksempelvis er formen på et fugleæg optimeret så varmetabet gennem skallen er mindst muligt i forhold til rumfanget af ægget.
Overflade fra et fysisk synspunkt
I fysikken er en overflade skillefladen mellem et fast stof og en gas eller mellem en væske og en gas. I teknisk og videnskabelig litteratur bruges begrebet også om grænseflader mellem to faser i almindelighed, fx overfladen af en oliedråbe i vand (væske/væske), en sten på havbunden (fast stof/væske) eller et mineralkorn i en klippe (fast stof/fast stof).
Væskeoverflader kan karakteriseres ved en overfladespænding. Den skyldes, at atomer eller molekyler, der befinder sig på overfladen af væsken, ensidigt tiltrækkes af andre atomer eller molekyler inde i væsken. Der kan derfor vindes energi ved at flytte et atom eller molekyle fra overfladen ind i væsken, som derfor vil stræbe efter at gøre sin overflade så lille som muligt. En dråbe vil således uden anden påvirkning antage kugleform, som om den var omsluttet af en elastisk hinde. Anbringes en dråbe på en fast overflade, vil dens form afhænge af dens atomers eller molekylers vekselvirkning indbyrdes og deres vekselvirkning med den faste overflades atomer. Er denne vekselvirkning svag, vil dråben beholde sin kugleform (fx kviksølv på glas); er vekselvirkningen derimod kraftig, vil væsken brede sig over hele overfladen. Man siger da, at væsken "væder" overfladen (fx vand tilsat afspændingsmiddel på glas, sammenlign resultatet af maskinopvask med og uden tilsætning af afspændingsmiddel).
For faste stoffer vil forskellige arrangementer af overfladens atomer give forskellig overfladespænding. Jo tættere atomerne på overfladen er pakket, jo større er deres bindingsenergi. Den rumlige konfiguration af et fast stofs atomer (krystalstrukturen) bestemmer derfor også makroskopiske krystallers ydre form. Krystallens energi minimeres ved, at den dannes ved vækst af tættest muligt pakkede overflader, samtidig med at den samlede overflade er mindst mulig. Afstanden mellem modstående parallelle sider af en makroskopisk krystal kan vises at være omvendt proportional med de pågældende fladers bindingsenergi for at opfylde minimeringsprincippet for energi (Wulffs regel).
Adsorption
En fast overflade i kontakt med atmosfæren vil altid have gasatomer eller gasmolekyler bundet til sig (se adsorption). Afhængigt af om bindingen er svag eller kraftig, taler man om fysisorption eller kemisorption. Grænsen mellem de to mekanismer sættes almindeligvis ved 0,7 eV pr. atom eller molekyle (15 kcal/mol). Således vil en ædelgas som argon fysisorberes på de fleste metaloverflader, mens vand- eller kuldioxidmolekyler vil kemisorberes, som regel med bindingsenergier på 2 eV/molekyle (45 kcal/mol). Konsekvensen er, at overflader, der har været udsat for atmosfærens indflydelse, aldrig vil være fuldstændig rene. Ønsker man at studere dem i deres rene form, må de anbringes i vakuum og renses. Rensning kan ske, ved at overfladen nydannes ved fordampning af atomer fra den, eller at den eroderes ved ionbeskydning (se sputtering).
Adsorberede atomer kan også fjernes ved opvarmning, men for at fjerne fx vand eller kuldioxid effektivt fra en metaloverflade må den opvarmes til mere end 300 °C i mange timer. Selv i et godt vakuum rammes overfladen til stadighed af restgasatomer og molekyler, der evt. adsorberes. Skal en ren overflade kunne studeres i en rimelig tid, må rensningen og undersøgelsen derfor foregå i et såkaldt ultrahøjt vakuum (UHV), dvs. ved et tryk på mindre end 10-8 mmHg. Så lave tryk har man kun systematisk kunnet frembringe siden 1960'erne, der derfor også markerer begyndelsen af moderne, eksperimentel overfladefysik.
Overfladers atomare struktur
Overfladers atomare struktur blev tidligere undersøgt med feltionmikroskop, men i dag bruges især scanning-tunnelmikroskoper til direkte afbildning af overflader. Mere indirekte bruges metoder som elektrondiffraktion eller molekyldiffraktion eller ionspredning. Se overfladespektroskopi.
Overfladestrukturen viser sig oftest ikke at være en simpel fortsættelse af den indre krystalstruktur. Overfladen siges da at være rekonstrueret. Den kan dog have bevaret det indres struktur, men således, at det yderste lag har en større eller mindre afstand til næstyderste lag, end det gælder for tilsvarende planer i krystallens indre. I dette tilfælde taler man om relaksation. For halvledermaterialer som fx silicium vil også elektronbåndstrukturen blive ændret ved overfladen. Herved opstår overfladetilstande, der er af stor teknologisk betydning for mange anvendelser inden for mikroelektronik.
I et flerkomponentsystem, fx en legering, vil de enkelte komponenter ofte have forskellig bindingsenergi. Det medfører, at den svagest bundne komponent vil have større koncentration på overfladen end i stoffets indre. Man taler i dette tilfælde om segregering af den pågældende komponent. Det kan have betydning for legeringens korrosionsegenskaber.
Overfladedefekter
På overflader findes fejl i den ordnede struktur ganske som i en krystals indre. Det kan være punktdefekter som manglende atomer (huller) eller adsorberede enkeltatomer eller lineære defekter som fx af form som kanter af trappetrin. Overfladefejl er vigtige for processer som sublimering og adsorption. Atomer ved kanten af trappetrin vil være bundet svagere end atomer indbygget i en plan overflade. Fordampning vil derfor hovedsagelig finde sted fra sådanne særlige positioner. Omvendt vil et atom, som er adsorberet på en plan overflade, diffundere mod den nederste kant af trappetrin eller ind i hjørner, hvor bindingsenergien er større. Endelig forekommer plane defekter, hvor et eller to atomare lag ved overfladen er uordnede, og hvor atomerne har stor bevægelighed. Det kaldes forsmeltning og forekommer i visse materialer. Det uordnede lags tykkelse vokser, når man nærmer sig stoffets normale smeltepunkt.
Med tunnelmikroskoper kan man direkte iagttage, hvordan trinene flytter sig ved tillejring af atomer, eller hvordan enkeltatomer bevæger sig på overfladen ved diffusion. Disse processer har betydning for overfladekemiske reaktioner som katalyse. For at få sådanne processer til at forløbe med stor effektivitet gælder det om at have en stor overflade i et lille volumen. Man kan fremstille substrater til katalyse med flere hundrede m2 overflade pr. gram stof.