L'apprendimento automatico svela i misteri dei film sottili su scala atomica
Modellazione atomistica ad alta precisione di materiali amorfi
L'ossido di alluminio amorfo è spesso utilizzato sotto forma di film sottili e membrane protettive. Tuttavia, ciò che accade a livello atomico in questo materiale è poco conosciuto. Grazie a esperimenti innovativi e all'apprendimento automatico, un team interdisciplinare di ricercatori dell'Empa è riuscito a modellare per la prima volta la sua struttura disordinata con un elevato grado di precisione.
I ricercatori dell'Empa guidati da Simon Gramatte (davanti) e Vladyslav Turlo sono riusciti per la prima volta a simulare con precisione atomica l'ossido di alluminio amorfo con inclusioni di idrogeno.
Copyright: Empa
Chiarezza dal caos: nell'allumina amorfa, gli atomi di alluminio (grigio) e di ossigeno (rosso) non si dispongono in una struttura cristallina ordinata. Il modello visualizza anche gli atomi di idrogeno (blu) che si legano strettamente agli atomi di ossigeno vicini, alterando le proprietà del materiale.
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I ricercatori dell'Empa guidati da Simon Gramatte (davanti) e Vladyslav Turlo sono riusciti per la prima volta a simulare con precisione atomica l'ossido di alluminio amorfo con inclusioni di idrogeno. Immagine: Empa
L'ossido di alluminio o allumina è il moscerino della scienza dei materiali: studiato a fondo e ben compreso. Questo composto, con la semplice formula chimica Al2O3, si trova frequentemente nella crosta terrestre sotto forma di corindone e delle sue note varianti di colore, zaffiri e rubini, ed è utilizzato per un'ampia varietà di scopi, nell'elettronica, nell'industria chimica o nelle ceramiche tecniche.
Una caratteristica particolare dell'ossido di alluminio è la sua capacità di assumere strutture diverse pur mantenendo la stessa composizione chimica. Tutte queste varianti sono ben conosciute, con un'eccezione. Oltre a diverse forme cristalline, l'ossido di alluminio può esistere anche in uno stato amorfo, cioè disordinato. L'allumina amorfa presenta proprietà particolarmente vantaggiose per alcune applicazioni high-tech, ad esempio sotto forma di rivestimenti protettivi a film sottile particolarmente uniformi o di strati di passivazione ultrasottili.
Nonostante la sua diffusione e il know-how disponibile per la sua lavorazione, l'allumina amorfa rimane un mistero a livello atomico. "I materiali cristallini sono costituiti da piccole subunità che si ripetono regolarmente", spiega il ricercatore dell'Empa Vladyslav Turlo, del laboratorio Advanced Materials Processing di Thun. Esaminarli fino al livello di un singolo atomo è quindi relativamente facile, così come modellarli al computer. Dopotutto, se si può calcolare l'interazione degli atomi in una singola unità cristallina, si possono anche calcolare facilmente cristalli più grandi composti da molte unità.
I materiali amorfi non hanno questa struttura periodica. Gli atomi sono mescolati l'uno all'altro, difficili da esaminare e ancora più difficili da modellare. "Se dovessimo simulare un rivestimento in film sottile di allumina amorfa cresciuta da zero a livello atomico, il calcolo richiederebbe più tempo dell'età dell'universo", spiega Turlo. Tuttavia, le simulazioni accurate sono la chiave per una ricerca efficace sui materiali: Aiutano i ricercatori a comprendere i materiali e a ottimizzarne le proprietà.
Gli esperimenti incontrano le simulazioni
I ricercatori dell'Empa guidati da Turlo sono riusciti per la prima volta a simulare l'allumina amorfa in modo rapido, accurato ed efficiente. Il loro modello, che combina dati sperimentali, simulazioni ad alte prestazioni e apprendimento automatico, fornisce informazioni sulla disposizione atomica negli strati amorfi di Al2O3 ed è il primo del suo genere. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista npj Computational Materials.
La scoperta è stata possibile grazie alla collaborazione interdisciplinare tra tre laboratori dell'Empa. Turlo e il suo collega Simon Gramatte, primo autore della pubblicazione, hanno basato il loro modello su dati sperimentali. I ricercatori del laboratorio di Meccanica dei materiali e delle nanostrutture hanno prodotto film sottili di ossido di alluminio amorfo utilizzando la deposizione su strato atomico e li hanno esaminati insieme ai colleghi del laboratorio di Tecnologie di giunzione e corrosione di Dübendorf.
Uno dei grandi punti di forza del modello è che, oltre agli atomi di alluminio e ossigeno presenti nell'allumina, considera anche gli atomi di idrogeno incorporati. "L'allumina amorfa contiene quantità variabili di idrogeno a seconda del metodo di produzione", spiega il coautore Ivo Utke. L'idrogeno, l'elemento più piccolo della tavola periodica, è particolarmente difficile da misurare e modellare.
Grazie a un innovativo metodo di spettroscopia chiamato HAXPES, che in Svizzera è possibile solo all'Empa, i ricercatori sono riusciti a caratterizzare lo stato chimico dell'alluminio nei diversi film sottili e a incorporarlo nelle simulazioni per rivelare per la prima volta la distribuzione dell'idrogeno all'interno dell'allumina. "Siamo riusciti a dimostrare che, al di sopra di un certo contenuto, l'idrogeno si lega agli atomi di ossigeno del materiale, influenzando gli stati chimici degli altri elementi del materiale", spiega la coautrice Claudia Cancellieri. Questo cambia le proprietà del materiale: L'ossido di alluminio diventa più "soffice", cioè meno denso.
Chiarezza dal caos: nell'allumina amorfa, gli atomi di alluminio (grigio) e di ossigeno (rosso) non si dispongono in una struttura cristallina ordinata. Il modello visualizza anche gli atomi di idrogeno (blu) che si legano strettamente agli atomi di ossigeno vicini, alterando le proprietà del materiale. Immagine: Empa
Una potenziale svolta per l'idrogeno verde
La comprensione della struttura atomica apre la strada a nuove applicazioni dell'ossido di alluminio amorfo. Turlo vede il potenziale maggiore nella produzione di idrogeno verde. L'idrogeno verde si ottiene scindendo l'acqua con energie rinnovabili, o addirittura con la luce solare diretta. Per separare l'idrogeno dall'ossigeno, anch'esso prodotto durante la scissione dell'acqua, sono necessari materiali filtranti efficaci che consentano il passaggio di uno solo dei gas. "L'allumina amorfa è uno dei materiali più promettenti per queste membrane di idrogeno", spiega Turlo. "Grazie al nostro modello, possiamo comprendere molto meglio come il contenuto di idrogeno nel materiale favorisca la diffusione dell'idrogeno gassoso rispetto ad altre molecole più grandi". In futuro, i ricercatori intendono utilizzare il modello per sviluppare membrane migliori costituite da allumina.
"La comprensione dei nostri materiali a livello atomico ci permette di ottimizzare le proprietà del materiale - siano esse legate alla meccanica, all'ottica o alla permeabilità - in modo molto più mirato", afferma il ricercatore sui materiali Utke. Il modello può ora portare a miglioramenti in tutte le aree di applicazione dell'allumina amorfa e, col tempo, potrebbe essere trasferito ad altri materiali amorfi. "Abbiamo dimostrato che è possibile simulare accuratamente i materiali amorfi", riassume Turlo. E grazie all'apprendimento automatico, il processo richiede solo un giorno, invece di miliardi di anni.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Simon Gramatte, Olivier Politano, Noel Jakse, Claudia Cancellieri, Ivo Utke, Lars P. H. Jeurgens, Vladyslav Turlo; "Unveiling hydrogen chemical states in supersaturated amorphous alumina via machine learning-driven atomistic modeling"; npj Computational Materials, Volume 11, 2025-6-6
Claudia Cancellieri, Simon Gramatte, Olivier Politano, Léo Lapeyre, Fedor F. Klimashin, Krzysztof Mackosz, Ivo Utke, Zbynek Novotny, Arnold M. Müller, Christof Vockenhuber, Vladyslav Turlo, Lars P. H. Jeurgens; "Effect of hydrogen on the chemical state, stoichiometry and density of amorphous Al2O3 films grown by thermal atomic layer deposition"; Surface and Interface Analysis, Volume 56, 2024-1-7
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