El aislante se deshizo
Los científicos han descubierto la estructura detallada de la superficie del óxido de aluminio, un reto que ha desconcertado a los investigadores durante décadas
El óxido de aluminio (Al2O3), también conocido como alúmina, corindón, zafiro o rubí, es uno de los mejores aislantes utilizados en una amplia gama de aplicaciones: en componentes electrónicos, como material de soporte para catalizadores o como cerámica químicamente resistente, por nombrar algunas. El conocimiento de la disposición precisa de los átomos de la superficie es clave para entender cómo se producen las reacciones químicas en este material, como las de los procesos catalíticos. Los átomos del interior del material siguen una disposición fija, dando lugar a las formas características de los cristales. En la superficie, sin embargo, la estructura se desvía de la del interior del cristal. La naturaleza fuertemente aislante de la alúmina dificultó los estudios experimentales, y la estructura superficial eludió la determinación precisa durante más de medio siglo. Ahora, investigadores de la Universidad Técnica de Viena y de la Universidad de Viena han resuelto la compleja estructura de la superficie del Al2O3, un enigma que en 1997 fue catalogado como uno de los "Tres misterios de la ciencia de superficies". El grupo de investigación dirigido por Jan Balajka y Ulrike Diebold acaba de publicar sus hallazgos en la revista Science.
La microscopía de alta resolución identifica los átomos de la superficie
El equipo de investigación utilizó microscopía de fuerza atómica sin contacto (ncAFM) para analizar la estructura de la superficie. Este método genera imágenes de la estructura superficial mediante el barrido de una punta afilada montada en un diapasón de cuarzo a poca distancia de la superficie. La frecuencia del diapasón cambia a medida que la punta interactúa con los átomos de la superficie sin tocar el material. Johanna Hütner, que realizó los experimentos, explica: "En una imagen ncAFM se puede ver la ubicación de los átomos, pero no su identidad química. Superamos la falta de sensibilidad química controlando con precisión la punta. La fijación de un único átomo de oxígeno al ápice de la punta nos permitió distinguir entre átomos de oxígeno y aluminio en la superficie. El átomo de oxígeno de la punta es repelido por otros átomos de oxígeno de la superficie y atraído por los átomos de aluminio de la superficie de Al2O3. Mapear la repulsión o atracción local nos permitió visualizar directamente la identidad química de cada átomo de la superficie".
La reestructuración estabiliza la superficie sin cambiar su composición
Los investigadores descubrieron que la superficie se reordena para permitir que los átomos de aluminio de la superficie penetren en el material y formen enlaces químicos con los átomos de oxígeno de las capas más profundas. Esta reorganización de las dos primeras capas atómicas reduce significativamente la energía, estabilizando la estructura. En contraste con creencias anteriores, la proporción numérica de átomos de aluminio y oxígeno permanece inalterada.
El modelo tridimensional de la superficie de óxido de aluminio se optimizó con métodos de aprendizaje automático. El principal reto consistía en hacer coincidir la superficie reestructurada con el cristal subyacente. "La estructura es muy compleja, lo que da lugar a un gran número de posibilidades sobre cómo podrían disponerse los átomos inaccesibles experimentalmente bajo la superficie. Los algoritmos de aprendizaje automático de última generación combinados con métodos computacionales convencionales nos permitieron examinar numerosas posibilidades y crear el modelo tridimensional estable de la superficie de óxido de aluminio", afirma Andrea Conti, que llevó a cabo el modelado computacional.
"Gracias al esfuerzo de colaboración entre la investigación experimental y la computacional, no sólo hemos abordado un antiguo misterio al determinar la estructura detallada de este enigmático aislante, sino que también hemos descubierto principios de diseño de estructuras aplicables a toda una clase de materiales. Nuestros resultados allanan el camino para avances en catálisis, ciencia de materiales y otros campos", afirma Jan Balajka, que dirigió la investigación.
Se han patentado partes del montaje experimental que alberga el microscopio de fuerza atómica sin contacto.
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