Оксид алюминия, или глинозём, является «дрозофилой» материаловедения: он тщательно изучен и хорошо понятен. Это соединение с простой химической формулой Al₂O₃ часто встречается в земной коре в виде минерала корунда, а его известные цветовые варианты — сапфиры и рубины — используются в самых разных целях, будь то электроника, химическая промышленность или техническая керамика.
Особенностью оксида алюминия является его способность принимать разные структуры, сохраняя при этом одинаковый химический состав. Все эти варианты также хорошо изучены — за исключением одного. Помимо нескольких кристаллических форм, оксид алюминия может существовать в аморфном, то есть неупорядоченном, состоянии. Аморфный глинозём обладает особенно выгодными свойствами для некоторых высокотехнологичных применений, например, в виде однородных защитных тонкоплёночных покрытий или ультратонких пассивирующих слоёв.
Несмотря на широкое использование и наличие ноу-хау по его обработке, аморфный глинозём остаётся загадкой на атомном уровне. «Кристаллические материалы состоят из небольших регулярно повторяющихся субъединиц», — объясняет исследователь Эмпы Владислав Турло из лаборатории передовой обработки материалов в Туне.
Таким образом, изучение их на уровне отдельного атома относительно несложно, как и моделирование на компьютере. В конце концов, если вы можете рассчитать взаимодействие атомов в единице кристалла, вы также можете легко рассчитать большие кристаллы, состоящие из множества единиц.
Аморфные материалы не имеют такой периодической структуры. Атомы перемешаны — их трудно исследовать и ещё труднее моделировать. «Если бы мы моделировали тонкоплёночное покрытие из аморфного глинозёма, выращенного с нуля на атомном уровне, расчёт занял бы больше времени, чем возраст Вселенной», — говорит Турло.
Однако точное моделирование является ключом к эффективным исследованиям материалов. Оно помогает учёным понять материалы и оптимизировать их свойства.
Исследователям Эмпы во главе с Турло впервые удалось успешно смоделировать аморфный глинозём быстро, точно и эффективно. Их модель, сочетающая экспериментальные данные, высокопроизводительное моделирование и машинное обучение, предоставляет информацию об атомном расположении в аморфных слоях Al₂O₃ и является первой в своём роде. Результаты исследования опубликованы в журнале npj Computational Materials.
Прорыв стал возможен благодаря междисциплинарному сотрудничеству между тремя лабораториями Эмпы. Турло и его коллега Саймон Граматте, первый автор публикации, основали свою модель на экспериментальных данных. Исследователи из лаборатории механики материалов и наноструктур создали аморфные тонкие плёнки оксида алюминия с помощью атомно-слоевого осаждения и исследовали их вместе с коллегами из лаборатории технологий соединения и коррозии в Дюбендорфе.
Одной из сильных сторон модели является то, что помимо алюминия и атомов кислорода в глинозёме, она также учитывает внедрённые атомы водорода. «Аморфный глинозём содержит разное количество водорода в зависимости от метода изготовления», — объясняет соавтор Иво Утке. Водород, самый маленький элемент в периодической таблице, особенно сложно измерить и смоделировать.
Благодаря инновационному методу спектроскопии, называемому HAXPES, который в Швейцарии возможен только в Эмпе, исследователи смогли охарактеризовать химическое состояние алюминия в различных тонких плёнках и включить его в моделирование, чтобы впервые выявить распределение водорода в глинозёме.
«Мы смогли показать, что при определённом содержании водород связывается с атомами кислорода в материале, влияя на химические состояния других элементов в материале», — говорит соавтор Клаудия Канчеллиери. Это изменяет свойства материала: оксид алюминия становится «пушистее», то есть менее плотным.
Понимание атомной структуры открывает путь для новых применений аморфного оксида алюминия. Турло видит наибольший потенциал в производстве зелёного водорода. Зелёный водород получают путём расщепления воды с использованием возобновляемых источников энергии или даже прямого солнечного света. Для разделения водорода и кислорода, который также образуется при расщеплении воды, требуются эффективные фильтрующие материалы, пропускающие только один из газов.
«Аморфный глинозём — один из самых перспективных материалов для таких водородных мембран», — говорит Турло. «Благодаря нашей модели мы можем гораздо лучше понять, как содержание водорода в материале способствует диффузии газообразного водорода по сравнению с другими более крупными молекулами».
В будущем исследователи хотят использовать модель для разработки более совершенных мембран, состоящих из глинозёма. «Понимание наших материалов на атомном уровне позволяет нам оптимизировать свойства материала — будь то механика, оптика или проницаемость — гораздо более целенаправленно», — говорит исследователь материалов Утке.
Модель может привести к улучшениям во всех областях применения аморфного глинозёма — и со временем может быть применена и к другим аморфным материалам. «Мы показали, что можно точно моделировать аморфные материалы», — резюмирует Турло. И благодаря машинному обучению процесс теперь занимает всего около суток — вместо миллиардов лет.
Предоставлено Швейцарскими федеральными лабораториями материаловедения и технологий.