Rätsel um die Oberfläche von Korund, Saphir und Rubin gelöst
Die Enthüllung der komplexen Oberflächenstruktur von Aluminiumoxid durch Rasterkraftmikroskopie
Ein so genanntes „Rätsel der Oberflächenwissenschaft“ wurde gelöst: Wissenschaftler aus Wien deckten nun mithilfe von Rasterkraftmikroskopie die komplexe Oberflächenstruktur von Aluminiumoxid auf. Die Ergebnisse zeigen, dass eine spezielle Umordnung der Atome in den ersten beiden Atomschichten entscheidend ist.
Die vielseitigen Anwendungen von Aluminiumoxid
Aluminiumoxid, auch bekannt als Korund, Saphir oder Rubin, wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt: als Isolator in elektronischen Bauteilen, als Trägermaterial für Katalysatoren oder als chemisch inerte Keramik. Um zu verstehen, wie chemische Reaktionen auf diesem Material ablaufen, muss die Anordnung der Oberflächenatome bekannt sein. Im Inneren des Materials folgen die Atome einer festen Ordnung, wodurch sich die charakteristischen Formen von Kristallen bilden. An der Oberfläche weicht die Struktur jedoch vom Inneren des Kristalls ab. Forschende der TU Wien und der Universität Wien haben nun das Rätsel um die komplexe Struktur der Al2O3-Oberfläche gelöst, eine Aufgabe, die bereits 1997 als eines der „drei Rätsel der Oberflächenwissenschaft“ gelistet wurde.
Die Herausforderungen der Oberflächenanalyse
Zur Analyse der Oberflächenstruktur setzte das Forschungsteam Rasterkraftmikroskopie ein. Bei dieser Methode wird die Oberfläche mit einer scharfen Spitze, die auf einer Stimmgabel aus Quarz montiert ist, in geringem Abstand abgetastet. Die Frequenz der Stimmgabel ändert sich durch Wechselwirkung der Spitze mit den Oberflächenatomen, wodurch ein Bild der Oberfläche ohne Berührung des Materials entsteht. Während die Auflösung dieser Methode bis auf einzelne Atome genau ist, ergibt sich allerdings ein Problem: Welche Art von Atomen vorliegt, erfasst die klassische AFM-Aufnahme nicht. Mit einer Modifikation der Spitze haben die Wiener Forscher dennoch chemische Sensitivität erreicht, also eine Unterscheidung verschiedener Atomsorten ermöglicht, wie Johanna Hütner erklärt.
Die innovative Methode der Rasterkraftmikroskopie
Ein einzelnes Sauerstoffatom wurde ganz an der Spitze angebracht, wodurch wir zwischen Sauerstoff- und Aluminiumatomen an der Oberfläche unterscheiden konnten. Das Sauerstoffatom an der Spitze wird von anderen Sauerstoffatomen an der Oberfläche abgestoßen und von den Aluminiumatomen der Al2O3-Oberfläche angezogen, führt die Forscherin aus. Diese lokale Abstoßung oder Anziehung ermöglichte es, die chemische Identität der einzelnen Oberflächenatome zusammen mit deren Position direkt darzustellen.
Die Bedeutung der chemischen Sensitivität in der Forschung
Die Forschenden fanden heraus, dass sich die Oberfläche so umstrukturiert, dass die Aluminiumatome die Oberfläche durchdringen und chemische Bindungen mit den Sauerstoffatomen in den tieferliegenden Schichten eingehen können. Durch diese Umordnung der ersten beiden Atomschichten wird die Energie erheblich reduziert und die Struktur stabilisiert, während das Zahlenverhältnis von Aluminium- zu Sauerstoffatomen unverändert bleibt.
Die Rolle des maschinellen Lernens bei der Modellierung
Das 3D-Modell der Aluminiumoxidoberfläche wurde mit Methoden des maschinellen Lernens optimiert. Die größte Herausforderung war herauszufinden, wie die Oberfläche mit dem darunter liegenden Kristall verbunden ist. Moderne Algorithmen des maschinellen Lernens in Kombination mit konventionellen Berechnungsmethoden ermöglichten es uns, zahlreiche Möglichkeiten zu untersuchen und die dreidimensionale Struktur der Aluminiumoxidoberfläche zu bestimmen. Die Studienergebnisse sind laut den Forschern ein Wegbereiter für weitere Fortschritte in der Katalyse, der Materialwissenschaft und anderen Bereichen.
Welche Auswirkungen hat die Entdeckung der komplexen Oberflächenstruktur von Aluminiumoxid auf zukünftige Forschungsbereiche? 🤔
Lieber Leser, nachdem wir die vielseitigen Anwendungen, Herausforderungen, innovative Methoden, Bedeutung der chemischen Sensitivität und die Rolle des maschinellen Lernens im Zusammenhang mit der Entdeckung der komplexen Oberflächenstruktur von Aluminiumoxid beleuchtet haben, welche Gedanken kommen dir zu den zukünftigen Entwicklungen in der Materialwissenschaft und verwandten Bereichen? Teile deine Meinung in den Kommentaren! 💡🔬🌟