Forskere ved Empa har for første gang lyktes med å modellere den uordnede atomstrukturen til amorf aluminiumoksid med høy nøyaktighet. Materialet, kjent som Al₂O₃, er utbredt i naturen som mineralet korund, så vel som i form av safir og rubin, og er mye brukt i elektronikk, kjemisk industri og teknisk keramikk. Amorf aluminiumoksid er spesielt verdsatt for sine ensartede beskyttende belegg og ultratynne passiveringslag i høyteknologiske applikasjoner. På atomnivå har det imidlertid forblitt et mysterium frem til nå fordi det mangler en regelmessig, krystallinsk struktur, noe som kompliserer undersøkelsen og modelleringen. Ledet av Vladyslav Turlo fra Advanced Materials Processing-laboratoriet i Thun, utviklet et tverrfaglig team en ny modell som kombinerer eksperimentelle data, høytytende simuleringer og maskinlæring. Denne modellen beskriver atomarrangementet i amorfe Al₂O₃-lag.
For utviklingen ble amorfe tynne filmer produsert ved hjelp av atomlagsavsetning og undersøkt i samarbeid med Empa-laboratoriene «Mechanics of Materials and Nanostructures» og «Joining Technologies and Corrosion» i Dübendorf. En spesiell utfordring var hensynet til hydrogenatomer, som, avhengig av produksjonsmetoden, er tilstede i materialet og påvirker dets egenskaper.
Ved hjelp av den innovative HAXPES-spektroskopimetoden, som kun er tilgjengelig hos Empa, ble den kjemiske tilstanden til aluminium analysert og fordelingen av hydrogen i materialet bestemt. Det ble vist at hydrogen over en viss konsentrasjon reduserer materialets tetthet ved å binde seg til oksygen.
Denne nye forståelsen av atomstrukturen åpner for muligheter for produksjon av grønt hydrogen. Amorf aluminiumoksid regnes som et lovende materiale for membraner som skiller hydrogen fra oksygen, for eksempel i hydrogenproduksjon ved bruk av fornybar energi. Modellen gir innsikt i hvordan hydrogeninnholdet påvirker permeabiliteten til gassmolekyler, og er ment å muliggjøre målrettet utvikling av slike membraner i fremtiden. Videre kan modellen fremme optimaliseringen av materialegenskaper som mekanikk, optikk eller permeabilitet i alle anvendelser av amorf aluminiumoksid, og på lang sikt kan den overføres til andre amorfe materialer. Takket være maskinlæring ble simuleringstiden redusert fra potensielt milliarder av år til omtrent én dag, noe som markerer et gjennombrudd innen materialforskning.
originale publikasjoner
S Gramatt, O Politano, N Jakse, C Cancellieri, I Utke, LPH Jeurgens, V Turlo: Avsløring av hydrogenkjemiske tilstander i overmettet amorf alumina via maskinlæringsdrevet atomistisk modellering; npj Computational Materials (2025); doi: 10.1038/s41524-025-01676-5
C Cancellieri, S Gramatte, O Politano, L Lapeyre, FF Klimashin, K Mackosz, I Utke, Z Novotny, AM Müller, C Vockenhuber, V Turlo, LPH Jeurgens: Effekt av hydrogen på kjemisk tilstand, støkiometri og tetthet av amorfe Al2O3-filmer dyrket ved termisk atomlagsavsetning; Surface and Interface Analysis (2024); doi: 10.1002/sia.7282
Les også
H2BlackForest gjør hydrogen egnet for daglig bruk | Pugnalom
Rent hydrogen fra alkalisk avløpsvann | Pugnalom
