Doorbraak: wetenschappers ontcijferen complexe oppervlakte van aluminiumoxide

AmsterdamWetenschappers van de TU Wien en de Universiteit van Wenen hebben de structuur van het aluminiumoxide-oppervlak in kaart gebracht, een vraagstuk dat onderzoekers al jaren bezighoudt. Aluminiumoxide (Al2O3) is een uitstekende isolator en is van groot belang in vele gebieden, zoals elektronische componenten en katalytische dragers. Inzicht in de oppervlaktestructuur is cruciaal omdat dit invloed heeft op de chemische reacties en interacties.

Onderzoekers hebben geprobeerd de ordening van atomen op het oppervlak van aluminiumoxide te achterhalen. Terwijl de atomen binnenin het kristal in een vast patroon blijven, worden de atomen aan de oppervlakte anders gerangschikt. Het vaststellen van deze structuur was lastig omdat aluminiumoxide een sterke isolator is. Om het oppervlak te bestuderen, gebruikten wetenschappers niet-contact atoomkrachtmicroscopie (ncAFM). Deze techniek houdt in:

• Een scherpe punt gemonteerd op een kwartsstemvork
• Op korte afstand over het oppervlak scannen
• Frequentieveranderingen als de punt contact maakt met atomen op het oppervlak

Onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om de positie van atomen te bepalen door een enkel zuurstofatoom aan hun instrument toe te voegen. Dit stelde hen in staat om het verschil tussen zuurstof- en aluminiumatomen te onderscheiden door de krachten van afstoting en aantrekking waar te nemen.

De ontdekking is belangrijk omdat het aantoont dat het oppervlak van het materiaal zichzelf wijzigt. Aluminiumatomen bewegen dieper in het materiaal om te binden met zuurstofatomen onder het oppervlak. Dit verlaagt de energie en maakt de structuur stabieler zonder de verhouding aluminium-zuurstof te veranderen. Dit nieuwe inzicht kan leiden tot vooruitgangen in verschillende gebieden.

Geavanceerde machine learning-algoritmen en traditionele methoden hebben bijgedragen aan de verbetering van een driedimensionaal model van dit complexe oppervlak. Door duizenden mogelijke ordeningen van ondergrondse atomen te overwegen, testten computationele modellen vele scenario's om een stabiele structuur te vinden. De combinatie van experimentele technieken en computermodellering was hierbij essentieel.

De resultaten gaan verder dan alleen aluminiumoxide. De ontdekte technieken en principes kunnen ook worden toegepast op andere isolatoren en materialen. Dit zou vakgebieden zoals katalyse en materiaalkunde kunnen veranderen. Betere inzichten in oppervlaktstructuren kunnen leiden tot efficiëntere katalysatoren en verbeterde keramische isolatoren voor geavanceerde technologie.

Deze ontdekking lost niet alleen een oud wetenschappelijk probleem op, maar opent ook de deur voor meer onderzoek en nieuwe technologieën. De beschermde onderdelen van het experiment garanderen dat deze nieuwe methode veilig blijft voor toekomstige studies. Onderzoekers overal ter wereld kunnen deze resultaten gebruiken om nieuwe materialen en industriële methoden te verkennen, wat mogelijk leidt tot grote technologische doorbraken.