Cientistas da TU Wien e da Universidade de Viena descobriram a estrutura detalhada da superfície do óxido de alumínio, um desafio que tem intrigado os pesquisadores há décadas.
Óxido de alumínio (Al2O3), também conhecido como alumina, coríndon, safira ou rubi, é um dos melhores isolantes usados em uma ampla gama de aplicações: em componentes eletrônicos, como material de suporte para catalisadores ou como uma cerâmica quimicamente resistente, para citar alguns. O conhecimento do arranjo preciso dos átomos da superfície é essencial para entender como as reações químicas ocorrem neste material, como aquelas em processos catalíticos. Os átomos dentro do material seguem um arranjo fixo, dando origem às formas características dos cristais. Na superfície, no entanto, a estrutura se desvia daquela dentro do cristal. A natureza fortemente isolante da alumina dificultou os estudos experimentais, e a estrutura da superfície evitou uma determinação precisa por mais de meio século. Pesquisadores da TU Wien e da Universidade de Viena agora resolveram a estrutura complexa do Al2O3 superfície, um quebra-cabeça listado em 1997 como um dos “Três mistérios da ciência da superfície”. O grupo de pesquisa liderado por Jan Balajka e Ulrike Diebold publicou recentemente suas descobertas no prestigiado periódico Ciência.
Microscopia de alta resolução identifica átomos de superfície
A equipe de pesquisa usou microscopia de força atômica sem contato (ncAFM) para analisar a estrutura da superfície. Este método gera imagens da estrutura da superfície escaneando uma ponta afiada montada em um diapasão de quartzo a uma curta distância da superfície. A frequência do diapasão muda conforme a ponta interage com os átomos na superfície sem tocar o material. Johanna Hütner, que realizou os experimentos, explica: “Em uma imagem ncAFM, pode-se ver a localização dos átomos, mas não sua identidade química. Superamos a falta de sensibilidade química controlando precisamente a ponta. Anexar um único átomo de oxigênio ao ápice da ponta nos permitiu distinguir entre átomos de oxigênio e alumínio na superfície. O átomo de oxigênio na ponta é repelido de outros átomos de oxigênio na superfície e atraído por átomos de alumínio do Al2O3 superfície. Mapear a repulsão ou atração local nos permitiu visualizar a identidade química de cada átomo da superfície diretamente.”
A reestruturação estabiliza a superfície sem alterar sua composição
Os pesquisadores descobriram que a superfície se reorganiza para permitir que os átomos de alumínio na superfície penetrem no material e formem ligações químicas com os átomos de oxigênio nas camadas mais profundas. Esse rearranjo das duas primeiras camadas atômicas reduz significativamente a energia, estabilizando efetivamente a estrutura. Em contraste com as crenças anteriores, a proporção numérica de átomos de alumínio para oxigênio permanece inalterada.
O modelo tridimensional da superfície do óxido de alumínio foi otimizado com métodos de aprendizado de máquina. O principal desafio era combinar a superfície reestruturada com o cristal subjacente. “A estrutura é muito complexa, resultando em um vasto número de possibilidades de como os átomos experimentalmente inacessíveis abaixo da superfície poderiam ser arranjados. Os algoritmos de aprendizado de máquina de última geração combinados com métodos computacionais convencionais nos permitiram examinar inúmeras possibilidades e criar o modelo tridimensional estável da superfície do óxido de alumínio”, afirma Andrea Conti, que realizou a modelagem computacional.
“Por meio do esforço colaborativo de pesquisa experimental e computacional, não apenas abordamos um mistério de longa data ao determinar a estrutura detalhada deste isolante enigmático, mas também descobrimos princípios de design de estrutura aplicáveis a uma classe inteira de materiais. Nossos resultados abrem caminho para avanços em catálise, ciência de materiais e outros campos”, diz Jan Balajka, que liderou a pesquisa.
Partes da configuração experimental que abriga o microscópio de força atômica sem contato foram patenteadas: Isolamento de vibração passiva para microscopia de alta resolução.
Publicação original
JI Hütner, A. Conti, D. Kugler, F. Mittendorfer, G. Kresse, M. Schmid, U. Diebold e J. Balajka (2024). Reconstrução estequiométrica do Al2O3(0001) superfície. Ciência. https://doi.org/10.1126/science.adq4744
