Científicos de la TU Wien y la Universidad de Viena han descubierto la estructura detallada de la superficie del óxido de aluminio, un desafío que ha desconcertado a los investigadores durante décadas.
Óxido de aluminio (Al2Y3), también conocido como alúmina, corindón, zafiro o rubí, es uno de los mejores aislantes utilizados en una amplia gama de aplicaciones: en componentes electrónicos, como material de soporte para catalizadores o como cerámicas químicamente resistentes, por citar algunas. El conocimiento de la disposición precisa de los átomos de la superficie es clave para comprender cómo ocurren las reacciones químicas en este material, como en los procesos catalíticos. Los átomos dentro del material siguen una disposición específica, lo que da lugar a la forma característica del cristal. Sin embargo, en la superficie la estructura difiere de la del interior del cristal. La naturaleza fuertemente aislante de la alúmina dificultó los estudios experimentales y la estructura de la superficie eludió una determinación precisa durante más de medio siglo. Investigadores de la TU Wien y la Universidad de Viena han resuelto la compleja estructura de Al2Y3 La superficie, un rompecabezas En 1997 “Tres Misterios de la Ciencia de las Superficies”. El equipo de investigación, dirigido por Jan Balazka y Ulrich Diebold, publicó recientemente sus hallazgos en la revista ciencia.
La microscopía de alta resolución detecta átomos superficiales
El equipo de investigación utilizó microscopía de fuerza atómica sin contacto (ncAFM) para analizar la estructura de la superficie. Este método produce imágenes de estructuras superficiales escaneando una punta afilada montada en un diapasón de cuarzo a poca distancia de la superficie. La frecuencia del diapasón cambia a medida que la punta interactúa con los átomos de la superficie sin tocar el material. Johanna Hütner, que llevó a cabo los experimentos, explica: “En una imagen ncAFM se puede ver la posición de los átomos, pero no su identidad química. Superamos la falta de sensibilidad química controlando con precisión la punta. Al colocar un solo oxígeno átomo hasta el ápice de la punta podemos ver el oxígeno en la superficie y nos permite distinguir entre átomos de aluminio.2Y3 Mapear la repulsión o atracción local de la superficie nos permitió visualizar directamente la identidad química de cada átomo de la superficie”.
La reestructuración estabiliza la superficie sin cambiar su estructura.
Los investigadores descubrieron que la superficie se reorganiza para permitir que los átomos de aluminio de la superficie penetren en el material y formen enlaces químicos con átomos de oxígeno en capas más profundas. Esta reordenación de las dos primeras capas atómicas reduce significativamente la energía, estabilizando efectivamente la estructura. Contrariamente a lo que se pensaba anteriormente, la proporción numérica entre los átomos de aluminio y los de oxígeno permanece sin cambios.
El modelo tridimensional de la superficie de óxido de aluminio se optimizó con métodos de aprendizaje automático. El principal desafío fue hacer coincidir la superficie reconstruida con el cristal subyacente. “La estructura es muy compleja, lo que deja muchas posibilidades sobre cómo se pueden organizar experimentalmente átomos inaccesibles debajo de la superficie. Los algoritmos de aprendizaje automático de última generación combinados con métodos computacionales convencionales nos permiten probar numerosas posibilidades y crear tridimensionales estables. modelos de la superficie de óxido de aluminio”, dijo Andrea Conti, quien realizó el modelado computacional
“A través de un esfuerzo colaborativo de investigación experimental y computacional, no solo abordamos un misterio de larga data al determinar la estructura detallada de este enigmático aislante, sino que también descubrimos principios de diseño de estructuras aplicables a toda una clase de materiales. Nuestros resultados allanaron el camino para catálisis, ciencia de materiales y otros campos”, dijo John Balazka, quien dirigió el estudio.
Partes de la configuración experimental que alberga el microscopio de fuerza atómica sin contacto están patentadas: aislamiento pasivo de vibración para microscopía de alta resolución.