Aluminium oksida amorf sering digunakan dalam bentuk film tipis pelindung dan membran. Namun, apa yang terjadi pada tingkat atom dalam materi kurang dipahami. Berkat eksperimen inovatif dan pembelajaran mesin, tim peneliti interdisipliner dapat memodelkan strukturnya yang tidak teratur dengan tingkat akurasi yang tinggi untuk pertama kalinya.
Aluminium oksida atau alumina adalah lalat buah dari ilmu material: diteliti secara menyeluruh dan dipahami dengan baik. Senyawa ini, dengan formula kimia sederhana2HAI3sering terjadi di kerak bumi dalam bentuk corundum mineral dan varian warnanya yang terkenal safir dan rubi – dan digunakan untuk berbagai tujuan, baik dalam elektronik, industri kimia, atau keramik teknis.
Fitur khusus aluminium oksida adalah kemampuannya untuk mengambil struktur yang berbeda sambil mempertahankan komposisi kimia yang sama. Semua varian ini juga dipahami dengan baik – dengan satu pengecualian. Selain beberapa bentuk kristal, aluminium oksida juga dapat ada dalam keadaan amorf, yaitu, tidak teratur. Alumina amorf memiliki sifat yang sangat menguntungkan untuk beberapa aplikasi berteknologi tinggi, misalnya, dalam bentuk pelapis film tipis pelindung yang seragam atau lapisan pasif ultrathin.
Terlepas dari penggunaannya yang luas dan pengetahuan yang tersedia untuk memprosesnya, alumina amorf tetap menjadi misteri di tingkat atom. “Bahan kristal terdiri dari subunit kecil yang berulang secara teratur,” jelas peneliti EMPA Vladyslav Turlo dari laboratorium pemrosesan bahan canggih di Thun. Dengan demikian, memeriksanya ke tingkat atom tunggal relatif mudah – seperti memodelkannya di komputer. Lagi pula, jika Anda dapat menghitung interaksi atom dalam satu unit kristal tunggal, Anda juga dapat dengan mudah menghitung kristal yang lebih besar yang terdiri dari banyak unit.
Bahan amorf tidak memiliki struktur periodik seperti itu. Atom -atomnya bersatu – sulit untuk diperiksa dan bahkan lebih sulit untuk dimodelkan. “Jika kami mensimulasikan lapisan film tipis dari alumina amorf yang tumbuh dari awal pada tingkat atom, perhitungannya akan memakan waktu lebih lama dari usia alam semesta,” kata Turlo. Namun, simulasi yang akurat adalah kunci untuk penelitian bahan yang efektif: mereka membantu para peneliti memahami bahan dan mengoptimalkan sifat -sifatnya.
Para peneliti yang dipimpin oleh Turlo sekarang telah berhasil untuk pertama kalinya dalam mensimulasikan alumina amorf dengan cepat, akurat, dan efisien. Model mereka, yang menggabungkan data eksperimental, simulasi kinerja tinggi, dan pembelajaran mesin, memberikan informasi tentang pengaturan atom dalam amorf AL2HAI3 lapisan dan merupakan yang pertama dari jenisnya. Para peneliti telah menerbitkan hasil mereka dalam jurnal materi komputasi NPJ.
Breakthrough dimungkinkan berkat kolaborasi interdisipliner antara tiga laboratorium EMPA. Turlo dan rekannya Simon Gramatte, penulis publikasi pertama, mendasarkan model mereka pada data eksperimental. Para peneliti dari mekanisme Laboratorium Bahan dan Struktur Nano menghasilkan film tipis aluminium oksida amorf menggunakan deposisi lapisan atom dan memeriksanya bersama dengan rekan -rekannya di Teknologi Bergabung dan Laboratorium Korosi di Dübendorf.
Salah satu kekuatan besar model adalah bahwa, selain atom aluminium dan oksigen di alumina, ia juga mempertimbangkan atom hidrogen yang dimasukkan. “Alumina amorf mengandung berbagai jumlah hidrogen tergantung pada metode pembuatannya,” jelas rekan penulis Ivo Utke. Hidrogen, elemen terkecil dalam tabel periodik, sangat menantang untuk diukur dan model.
Karena metode spektroskopi inovatif yang disebut HAXPES, yang di Swiss hanya dimungkinkan di EMPA, para peneliti dapat mengkarakterisasi keadaan kimia aluminium dalam film tipis yang berbeda dan memasukkannya ke dalam simulasi untuk mengungkapkan distribusi hidrogen dalam alumina untuk pertama kalinya. “Kami dapat menunjukkan bahwa, di atas konten tertentu, hidrogen berikatan dengan atom oksigen dalam material, mempengaruhi keadaan kimia elemen lain dalam material.” Kata rekan penulis Claudia Cancellieri. Ini mengubah sifat material: aluminium oksida menjadi “lebih halus” yaitu, kurang padat sebagai hasilnya.
Pemahaman tentang struktur atom ini membuka jalan bagi aplikasi baru aluminium oksida amorf. Turlo melihat potensi terbesar dalam produksi hidrogen hijau. Hidrogen hijau dibuat dengan membelah air menggunakan energi terbarukan – atau bahkan sinar matahari langsung. Untuk memisahkan hidrogen dari oksigen, yang juga diproduksi selama pemisahan air, bahan filter efektif diperlukan yang hanya memungkinkan salah satu gas untuk dilewati. “Alumina amorf adalah salah satu bahan yang paling menjanjikan untuk membran hidrogen seperti itu,” kata Turlo. “Berkat model kami, kami dapat memperoleh pemahaman yang jauh lebih baik tentang bagaimana kandungan hidrogen dalam material mendukung difusi hidrogen gas sehubungan dengan molekul lain yang lebih besar.” Di masa depan, para peneliti ingin menggunakan model untuk mengembangkan membran yang lebih baik yang terdiri dari alumina.
“Pemahaman tentang materi kami di tingkat atom memungkinkan kami untuk mengoptimalkan sifat material – baik terkait dengan mekanika, optik, atau permeabilitas – dengan cara yang jauh lebih bertarget,” kata peneliti material Utke. Model ini sekarang dapat menyebabkan peningkatan di semua area aplikasi alumina amorf – dan juga dapat ditransfer ke bahan amorf lainnya dari waktu ke waktu. “Kami telah menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk secara akurat mensimulasikan bahan amorf,” merangkum Turlo. Dan berkat pembelajaran mesin, prosesnya sekarang hanya memakan waktu sekitar satu hari – bukannya miliaran tahun.
