El aprendizaje automático desvela los misterios de las películas finas a escala atómica
Modelización atomística de alta precisión de materiales amorfos
El óxido de aluminio amorfo se utiliza a menudo en forma de películas finas y membranas protectoras. Sin embargo, lo que ocurre a nivel atómico en este material no se conoce bien. Gracias a experimentos innovadores y al aprendizaje automático, un equipo interdisciplinar de investigadores de Empa ha podido modelizar por primera vez su estructura desordenada con un alto grado de precisión.
Investigadores de Empa dirigidos por Simon Gramatte (delante) y Vladyslav Turlo han logrado simular por primera vez con precisión atómica óxido de aluminio amorfo con inclusiones de hidrógeno.
Copyright: Empa
Claridad a partir del caos: en la alúmina amorfa, los átomos de aluminio (gris) y oxígeno (rojo) no se disponen en una estructura cristalina ordenada. El modelo también muestra átomos de hidrógeno (azul) estrechamente unidos a átomos de oxígeno vecinos, lo que altera las propiedades del material.
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Investigadores de Empa dirigidos por Simon Gramatte (delante) y Vladyslav Turlo han logrado por primera vez simular con precisión atómica óxido de aluminio amorfo con inclusiones de hidrógeno. Imagen: Empa
El óxido de aluminio o alúmina es la mosca de la fruta de la ciencia de materiales: investigado a fondo y bien comprendido. Este compuesto, con la sencilla fórmula química Al2O3, se encuentra frecuentemente en la corteza terrestre en forma del mineral corindón y sus conocidas variantes de color - zafiros y rubíes - y se utiliza para una gran variedad de fines, ya sea en electrónica, industria química o cerámica técnica.
Una característica especial del óxido de aluminio es su capacidad para adoptar diferentes estructuras manteniendo la misma composición química. Todas estas variantes se conocen bien, con una excepción. Además de varias formas cristalinas, el óxido de aluminio también puede existir en estado amorfo, es decir, desordenado. La alúmina amorfa tiene propiedades especialmente ventajosas para algunas aplicaciones de alta tecnología, por ejemplo, en forma de revestimientos protectores de película fina especialmente uniformes o capas de pasivación ultrafinas.
A pesar de su uso generalizado y de los conocimientos técnicos disponibles para procesarla, la alúmina amorfa sigue siendo un misterio a nivel atómico. "Los materiales cristalinos están formados por pequeñas subunidades que se repiten con regularidad", explica Vladyslav Turlo, investigador de Empa del laboratorio de Procesado Avanzado de Materiales de Thun. Por tanto, examinarlos hasta el nivel de un solo átomo es relativamente fácil, como lo es modelarlos en un ordenador. Después de todo, si se puede calcular la interacción de los átomos en una sola unidad de cristal, también se pueden calcular fácilmente cristales más grandes formados por muchas unidades.
Los materiales amorfos no tienen esa estructura periódica. Los átomos están mezclados, lo que dificulta su examen y aún más su modelización. "Si tuviéramos que simular una fina capa de alúmina amorfa cultivada desde cero a nivel atómico, el cálculo llevaría más tiempo que la edad del universo", dice Turlo. Sin embargo, las simulaciones precisas son la clave de una investigación de materiales eficaz: Ayudan a los investigadores a comprender los materiales y optimizar sus propiedades.
Experimentos y simulaciones
Los investigadores de Empa dirigidos por Turlo han conseguido por primera vez simular la alúmina amorfa con rapidez, precisión y eficacia. Su modelo, que combina datos experimentales, simulaciones de alto rendimiento y aprendizaje automático, proporciona información sobre la disposición atómica en capas de Al2O3 amorfo y es el primero de su clase. Los investigadores han publicado sus resultados en la revista npj Computational Materials.
El avance ha sido posible gracias a la colaboración interdisciplinar de tres laboratorios del Empa. Turlo y su colega Simon Gramatte, primer autor de la publicación, basaron su modelo en datos experimentales. Investigadores del laboratorio de Mecánica de Materiales y Nanoestructuras produjeron películas finas de óxido de aluminio amorfo mediante deposición de capas atómicas y las examinaron junto con colegas del laboratorio de Tecnologías de Unión y Corrosión de Dübendorf.
Uno de los grandes puntos fuertes del modelo es que, además de los átomos de aluminio y oxígeno de la alúmina, también tiene en cuenta los átomos de hidrógeno incorporados. "La alúmina amorfa contiene cantidades variables de hidrógeno en función del método de fabricación", explica Ivo Utke, coautor del estudio. El hidrógeno, el elemento más pequeño de la tabla periódica, es especialmente difícil de medir y modelizar.
Gracias a un innovador método de espectroscopia llamado HAXPES, que en Suiza sólo es posible en Empa, los investigadores pudieron caracterizar el estado químico del aluminio en las distintas láminas delgadas e incorporarlo a las simulaciones para revelar por primera vez la distribución del hidrógeno dentro de la alúmina. "Pudimos demostrar que, por encima de un determinado contenido, el hidrógeno se une a los átomos de oxígeno del material, afectando a los estados químicos de los demás elementos del material", explica Claudia Cancellieri, coautora del estudio. Esto cambia las propiedades del material: El óxido de aluminio se vuelve más "esponjoso", es decir, menos denso.
Claridad a partir del caos: en la alúmina amorfa, los átomos de aluminio (gris) y de oxígeno (rojo) no se disponen en una estructura cristalina ordenada. El modelo también muestra átomos de hidrógeno (azul) estrechamente unidos a átomos de oxígeno vecinos, lo que altera las propiedades del material. Imagen: Empa
Un avance potencial para el hidrógeno verde
Este conocimiento de la estructura atómica abre el camino a nuevas aplicaciones del óxido de aluminio amorfo. Turlo ve el mayor potencial en la producción de hidrógeno verde. El hidrógeno verde se obtiene dividiendo el agua con energías renovables, o incluso con luz solar directa. Para separar el hidrógeno del oxígeno, que también se produce durante la división del agua, se necesitan materiales de filtración eficaces que sólo dejen pasar uno de los gases. "La alúmina amorfa es uno de los materiales más prometedores para este tipo de membranas de hidrógeno", explica Turlo. "Gracias a nuestro modelo, podemos comprender mucho mejor cómo el contenido de hidrógeno en el material favorece la difusión del hidrógeno gaseoso con respecto a otras moléculas más grandes". En el futuro, los investigadores quieren utilizar el modelo para desarrollar mejores membranas compuestas de alúmina.
"Comprender nuestros materiales a nivel atómico nos permite optimizar las propiedades del material -ya estén relacionadas con la mecánica, la óptica o la permeabilidad- de una manera mucho más específica", afirma Utke, investigador de materiales. El modelo puede conducir ahora a mejoras en todas las áreas de aplicación de la alúmina amorfa y, con el tiempo, podrá trasladarse también a otros materiales amorfos. "Hemos demostrado que es posible simular con precisión materiales amorfos", resume Turlo. Y gracias al aprendizaje automático, ahora el proceso sólo dura un día, en lugar de miles de millones de años".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación 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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