Materiale amorfo calcolato per la prima volta a livello atomico: l'apprendimento automatico svela i segreti atomici dei film sottili

L'ossido di alluminio è la drosophila della scienza dei materiali: accuratamente studiato e ben compreso. La connessione con la semplice formula chimica Al2O3 si presenta sotto forma del minerale corindone e delle sue varianti cromatiche zaffiro e rubino, molto comuni nella crosta terrestre, ed è utilizzata per una vasta gamma di scopi, sia nell'elettronica, nell'industria chimica o nella ceramica tecnica.

Una caratteristica peculiare dell'ossido di alluminio è la sua capacità, a parità di composizione, di assumere strutture diverse. Tutte queste varianti sono ben comprese - con un'eccezione. Oltre a una serie di forme cristalline, l'ossido di alluminio può altresì presentarsi in forma amorfa, cioè disordinata. L'ossido di alluminio amorfo possiede proprietà particolarmente vantaggiose per alcune applicazioni high-tech, come rivestimenti protettivi particolarmente uniformi o strati di passivazione ultrafini.

Nonostante la sua ampia diffusione e il know-how legato alla sua lavorazione, l'ossido di alluminio amorfo rimane un enigma a livello atomico. «I materiali cristallini sono costituiti da piccole unità ripetitive», spiega Vladyslav Turlo, ricercatore presso il laboratorio «Advanced Materials Processing» dell'Empa a Thun. Questo rende relativamente facile analizzarli fino al singolo atomo – e modellarli al computer. Chi riesce a calcolare l'interazione degli atomi in una singola unità cristallina, può anche calcolare facilmente cristalli più grandi composti di diverse unità.

I materiali amorfi non hanno una struttura periodica. Gli atomi sono disposti più o meno casualmente - difficili da studiare e ancora più difficili da modellare. «Se volessimo simulare da zero la crescita di un sottile rivestimento di ossido di alluminio amorfo a livello atomico, ci vorrebbe più tempo dell'età dell'universo con i metodi attuali», così Turlo. Tuttavia, simulazioni precise sono la chiave per una ricerca efficace sui materiali: aiutano i ricercatori a comprendere i loro materiali e ottimizzare le loro proprietà.

Simulato con precisione e confermato sperimentalmente

I ricercatori d'Empa sotto la guida di Turlo sono riusciti per la prima volta a simulare rapidamente, con precisione ed efficienza l'ossido di alluminio amorfo al computer. Il loro modello, che unisce dati sperimentali, simulazioni ad alte prestazioni e apprendimento automatico, fornisce informazioni sulla disposizione atomica negli strati amorfi di Al2O3 ed è il primo del suo genere. I risultati sono stati pubblicati nella rivista specializzata «npj Computational Materials».

Il successo è stato possibile grazie a una collaborazione interdisciplinare di diversi laboratori Empa. Turlo e il suo collaboratore Simon Gramatte, primo autore della pubblicazione, si sono basati su dati sperimentali per lo sviluppo del modello. I ricercatori del laboratorio «Mechanics of Materials and Nanostructures» hanno prodotto film sottili di ossido di alluminio amorfo tramite deposizione di strati atomici e li hanno analizzati insieme al laboratorio «Joining Technologies and Corrosion» a Dübendorf.

Un grande punto di forza del modello: tiene conto, oltre agli atomi di alluminio e ossigeno dell'ossido di alluminio, anche degli atomi di idrogeno inclusi. «L'ossido di alluminio amorfo contiene, a seconda del metodo di produzione, diverse quantità di idrogeno», spiega il co-autore Ivo Utke. L'idrogeno è l'elemento più piccolo della tavola periodica e quindi difficile da misurare e modellare.

Grazie a un metodo spettroscopico innovativo chiamato HAXPES, possibile solo in Svizzera presso l'Empa, i ricercatori sono stati in grado di caratterizzare lo stato chimico dell'alluminio nei diversi film sottili e di farlo confluire nella simulazione, derivando così per la prima volta la distribuzione dell'idrogeno nell'ossido di alluminio. «Abbiamo potuto dimostrare che l'idrogeno si lega a un certo contenuto all'ossigeno nel materiale, influenzando così lo stato chimico degli altri elementi», afferma la co-autrice Claudia Cancellieri. Ciò altera le proprietà del materiale: l'ossido di alluminio diventa «più sciolto», quindi meno denso.

Svolta per l'idrogeno verde

Questa comprensione della struttura atomica apre la strada a nuove applicazioni dell'ossido di alluminio amorfo. Il più grande potenziale, secondo Turlo, risiede nel settore della produzione di idrogeno verde. L'idrogeno verde viene prodotto mediante la scissione dell'acqua utilizzando energie rinnovabili – o addirittura la luce solare diretta. Per separare l'idrogeno dall'ossigeno che si forma anch'esso, sono necessari materiali filtranti efficaci che lascino passare solo uno dei gas. «L'ossido di alluminio amorfo è un materiale estremamente promettente per queste membrane di idrogeno», afferma Turlo. «Grazie al nostro modello, otteniamo una migliore comprensione di come il contenuto di idrogeno nel materiale favorisca la diffusione dell'idrogeno gassoso rispetto a molecole di gas più grandi.» In futuro, i ricercatori d'Empa mirano a produrre membrane di ossido di alluminio basate su modellazioni mirate.

«Una comprensione atomica dei nostri materiali ci consente di ottimizzare le proprietà dei materiali – sia in termini di meccanica, ottica o permeabilità – con molta più precisione», afferma il ricercatore sui materiali Utke. Il modello può ora condurre a miglioramenti in tutte le applicazioni dell'ossido di alluminio amorfo – e col tempo essere esteso anche ad altri materiali amorfi. «Abbiamo dimostrato che una simulazione precisa dei materiali amorfi è possibile», conclude Turlo. E grazie all'apprendimento automatico, il processo ora richiede solo circa un giorno – invece di miliardi di anni.

Contatto per i media:
Dr. Vladyslav Turlo
Advanced Materials Processing
Tel. +41 58 765 63 18
vladyslav.turlo@empa.ch