Aislador abierto Ciencia diaria

Óxido de aluminio (Al₂Oh₃), 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 materiales de soporte para catalizadores, o químicamente como cerámicas resistentes, por citar algunas. El conocimiento de la disposición exacta de los átomos de la superficie es clave para comprender cómo se producen las reacciones químicas en el material, como en los procesos catalíticos. Los átomos dentro del material siguen una disposición fija, dando lugar a formas cristalinas características. Sin embargo, en la superficie la estructura difiere 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 Universidad Técnica de Viena y de la Universidad de Viena han resuelto la compleja estructura del Al.₂Oh₃ superficie, un rompecabezas catalogado como uno de los “Tres Misterios de la Ciencia de la Superficie” en 1997. El grupo de investigación, dirigido por John Balajka y Ulrich Diebold, publicó recientemente sus hallazgos en la revista Ciencia.

La microscopía de alta resolución identifica los átomos de la superficie.

El equipo de investigación utilizó microscopía de fuerza atómica sin contacto (ncAFM) para analizar la estructura de la superficie. Este método produce imágenes de la textura de la superficie 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 Huttner, quien realizó los experimentos, explica: “En una imagen ncAFM, se puede ver la ubicación de los átomos, pero no su identidad química. Superamos la falta de sensibilidad química controlando con precisión la punta. El vértice de la punta nos permitió distinguir entre átomos de oxígeno y aluminio en la superficie.₂Oh₃ El mapeo de 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 reorganización de las dos primeras capas atómicas reduce significativamente la energía, estabilizando efectivamente la estructura. Contrariamente a las creencias anteriores, la proporción numérica de átomos de aluminio y oxígeno no cambió.

Se optimizó un modelo tridimensional de la superficie de óxido de aluminio mediante métodos de aprendizaje automático. El principal desafío fue hacer coincidir la superficie de reestructuración con el cristal subyacente. “Su estructura es muy compleja, lo que da como resultado una amplia gama de posibilidades para la disposición experimental de átomos inaccesibles debajo de la superficie. Cree un modelo tridimensional estable de la superficie del óxido de aluminio”, dice Andrea Conti, quien realizó el modelado computacional. .

“A través de un esfuerzo colaborativo de investigación experimental y computacional, no solo resolvimos un misterio de larga data al determinar la estructura detallada de este enigmático aislante, sino que también descubrimos principios de diseño de estructuras que se aplican a toda una clase de materiales. Nuestros resultados allanaron el camino El camino para avances en catálisis, ciencia de materiales y otros campos, dice John Balajka, quien dirigió la investigación.

Se han patentado partes del dispositivo experimental que comprende el microscopio de fuerza atómica sin contacto: aislamiento pasivo de vibraciones para microscopía de alta resolución.