A aprendizagem automática revela os mistérios das películas finas à escala atómica
Modelação atomística de alta precisão de materiais amorfos
O óxido de alumínio amorfo é frequentemente utilizado sob a forma de películas finas e membranas protectoras. No entanto, o que acontece a nível atómico neste material é pouco conhecido. Graças a experiências inovadoras e à aprendizagem automática, uma equipa interdisciplinar de investigadores da Empa conseguiu, pela primeira vez, modelar a sua estrutura desordenada com um elevado grau de precisão.
Os investigadores da Empa, liderados por Simon Gramatte (à frente) e Vladyslav Turlo, conseguiram pela primeira vez simular com precisão atómica o óxido de alumínio amorfo com inclusões de hidrogénio.
Copyright: Empa
Clareza a partir do caos: Na alumina amorfa, os átomos de alumínio (cinzento) e os átomos de oxigénio (vermelho) não se organizam numa estrutura cristalina ordenada. O modelo também visualiza os átomos de hidrogénio (azul) a ligarem-se estreitamente aos átomos de oxigénio vizinhos, o que altera as propriedades do material.
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Os investigadores da Empa, liderados por Simon Gramatte (à frente) e Vladyslav Turlo, conseguiram pela primeira vez simular com precisão atómica o óxido de alumínio amorfo com inclusões de hidrogénio. Imagem: Empa
O óxido de alumínio, ou alumina, é a mosca da fruta da ciência dos materiais: muito estudado e bem compreendido. Este composto, com a fórmula química simples Al2O3, ocorre frequentemente na crosta terrestre sob a forma do mineral corindo e das suas conhecidas variantes de cor - safiras e rubis - e é utilizado para uma grande variedade de fins, seja na eletrónica, na indústria química ou na cerâmica técnica.
Uma caraterística especial do óxido de alumínio é a sua capacidade de assumir diferentes estruturas, mantendo a mesma composição química. Todas estas variantes são também bem conhecidas - com uma exceção. Para além de várias formas cristalinas, o óxido de alumínio também pode existir num estado amorfo, ou seja, desordenado. A alumina amorfa tem propriedades particularmente vantajosas para algumas aplicações de alta tecnologia, por exemplo, sob a forma de revestimentos de película fina de proteção particularmente uniformes ou camadas de passivação ultrafinas.
Apesar da sua utilização generalizada e do know-how disponível para o seu processamento, a alumina amorfa permanece um mistério a nível atómico. "Os materiais cristalinos são constituídos por pequenas subunidades que se repetem regularmente", explica o investigador da Empa, Vladyslav Turlo, do laboratório de processamento de materiais avançados de Thun. Assim, examiná-los até ao nível de um único átomo é relativamente fácil - tal como modelá-los num computador. Afinal, se se pode calcular a interação dos átomos numa única unidade de cristal, também se pode calcular facilmente cristais maiores constituídos por muitas unidades.
Os materiais amorfos não têm essa estrutura periódica. Os átomos estão misturados - difíceis de examinar e ainda mais difíceis de modelar. "Se tivéssemos de simular um revestimento de película fina de alumina amorfa, cultivada a partir do zero ao nível atómico, o cálculo demoraria mais tempo do que a idade do universo", diz Turlo. No entanto, as simulações exactas são a chave para uma investigação eficaz dos materiais: Ajudam os investigadores a compreender os materiais e a otimizar as suas propriedades.
As experiências encontram-se com as simulações
Os investigadores da Empa liderados por Turlo conseguiram agora, pela primeira vez, simular a alumina amorfa de forma rápida, precisa e eficiente. O seu modelo, que combina dados experimentais, simulações de alto desempenho e aprendizagem automática, fornece informações sobre a disposição atómica nas camadas amorfas de Al2O3 e é o primeiro do seu género. Os investigadores publicaram os seus resultados na revista npj Computational Materials.
A descoberta foi possível graças à colaboração interdisciplinar entre três laboratórios da Empa. Turlo e o seu colega Simon Gramatte, primeiro autor da publicação, basearam o seu modelo em dados experimentais. Os investigadores do laboratório de Mecânica dos Materiais e Nanoestruturas produziram películas finas de óxido de alumínio amorfo utilizando a deposição por camada atómica e examinaram-nas juntamente com colegas do laboratório de Tecnologias de Ligação e Corrosão em Dübendorf.
Uma das grandes vantagens do modelo é que, para além dos átomos de alumínio e oxigénio da alumina, considera também os átomos de hidrogénio incorporados. "A alumina amorfa contém quantidades variáveis de hidrogénio, dependendo do método de fabrico", explica o coautor Ivo Utke. O hidrogénio, o elemento mais pequeno da tabela periódica, é particularmente difícil de medir e modelar.
Graças a um método inovador de espetroscopia chamado HAXPES, que na Suíça só é possível na Empa, os investigadores conseguiram caraterizar o estado químico do alumínio nas diferentes películas finas e incorporá-lo nas simulações para revelar, pela primeira vez, a distribuição do hidrogénio na alumina. "Conseguimos mostrar que, a partir de um determinado teor, o hidrogénio se liga aos átomos de oxigénio do material, afectando os estados químicos dos outros elementos do material", afirma a coautora Claudia Cancellieri. Isto altera as propriedades do material: O óxido de alumínio torna-se mais "fofo", ou seja, menos denso.
Clareza no caos: Na alumina amorfa, os átomos de alumínio (cinzento) e os átomos de oxigénio (vermelho) não se organizam numa estrutura cristalina ordenada. O modelo também visualiza os átomos de hidrogénio (azul) a ligarem-se estreitamente aos átomos de oxigénio vizinhos, o que altera as propriedades do material. Imagem: Empa
Potencial avanço para o hidrogénio verde
Esta compreensão da estrutura atómica abre caminho a novas aplicações do óxido de alumínio amorfo. Turlo vê o maior potencial na produção de hidrogénio verde. O hidrogénio verde é produzido através da separação da água utilizando energias renováveis - ou mesmo a luz solar direta. Para separar o hidrogénio do oxigénio, que também é produzido durante a separação da água, são necessários materiais de filtragem eficazes que apenas permitam a passagem de um dos gases. "A alumina amorfa é um dos materiais mais promissores para essas membranas de hidrogénio", diz Turlo. "Graças ao nosso modelo, podemos compreender muito melhor a forma como o teor de hidrogénio no material favorece a difusão do hidrogénio gasoso em relação a outras moléculas maiores." No futuro, os investigadores pretendem utilizar o modelo para desenvolver melhores membranas constituídas por alumina.
"A compreensão dos nossos materiais a nível atómico permite-nos otimizar as propriedades do material - quer estejam relacionadas com a mecânica, a ótica ou a permeabilidade - de uma forma muito mais direcionada", afirma Utke, investigador de materiais. O modelo pode agora conduzir a melhorias em todas as áreas de aplicação da alumina amorfa - e pode também ser transferido para outros materiais amorfos ao longo do tempo. "Mostrámos que é possível simular com precisão materiais amorfos", resume Turlo. E graças à aprendizagem automática, o processo demora agora apenas cerca de um dia - em vez de milhares de milhões de anos.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
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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