Оксид алюминия, или глинозем, — это классический объект в материаловедении, как мушка-дрозофила в генетике: его изучили вдоль и поперек. Это соединение с простой формулой Al2O3 часто встречается в земной коре в виде минерала корунда и его знаменитых цветных разновидностей — сапфиров и рубинов. Его применяют повсюду: в электронике, химической промышленности, при создании технической керамики.

Особенность оксида алюминия в том, что он может существовать в разных структурах, не меняя химического состава. Все его кристаллические формы хорошо описаны — кроме одной. Помимо них, оксид алюминия бывает и аморфным, то есть неупорядоченным. У аморфного глинозема есть ценные свойства для высоких технологий, например, для создания идеально ровных защитных покрытий или сверхтонких пассивирующих слоев.

Но при всей нашей фамильярности с этим материалом его аморфная версия остается загадкой на атомном уровне.

Кристаллические материалы состоят из маленьких, регулярно повторяющихся блоков, — объясняет Владислав Турло, исследователь из лаборатории Empa по передовой обработке материалов. — Поэтому изучать их на уровне единичных атомов относительно просто, как и моделировать на компьютере. Если рассчитаешь взаимодействие атомов в одном блоке, легко распространишь это на весь кристалл.

У аморфных материалов такой периодичности нет. Атомы в них сгрудились в беспорядке — их трудно изучать и еще сложнее моделировать.

Если бы мы попытались смоделировать с нуля рост тонкой пленки аморфного глинозема на атомном уровне, расчеты заняли бы время, превышающее возраст Вселенной, — говорит Турло.

Однако точное моделирование — ключ к эффективным исследованиям: оно помогает понять материалы и улучшить их свойства.

Эксперименты встречаются с расчетами

Исследователям из Empa под руководством Турло впервые удалось быстро, точно и эффективно смоделировать аморфный оксид алюминия. Их модель, объединившая экспериментальные данные, высокопроизводительные расчеты и машинное обучение, раскрыла расположение атомов в аморфных слоях Al2O3. Результаты опубликованы в журнале npj Computational Materials.

Прорыв стал возможен благодаря сотрудничеству трех лабораторий Empa. Турло и его коллега Симон Граматт, первый автор статьи, построили модель на основе экспериментальных данных. Специалисты из лаборатории механики материалов и наноструктур создали тонкие пленки аморфного оксида алюминия методом атомно-слоевого осаждения и изучили их вместе с коллегами из лаборатории технологий соединения и коррозии в Дюбендорфе.

Одна из сильных сторон модели в том, что она учитывает не только атомы алюминия и кислорода, но и атомы водорода, которые встраиваются в материал.

Количество водорода в аморфном глиноземе зависит от способа его получения, — поясняет соавтор работы Иво Утке.

Водород, самый маленький элемент таблицы Менделеева, сложнее всего измерить и смоделировать.

Благодаря инновационному методу спектроскопии HAXPES, который в Швейцарии доступен только в Empa, ученые смогли определить химическое состояние алюминия в разных пленках и включить эти данные в симуляции. Впервые удалось показать распределение водорода в материале.

Мы доказали, что выше определенного содержания водород связывается с атомами кислорода в материале, что влияет на химическое состояние других элементов, — говорит соавтор Клаудия Канчельери.

Это меняет свойства материала: оксид алюминия становится «рыхлее», то есть менее плотным.

Перспектива для зеленого водорода

Понимание атомной структуры открывает путь к новым применениям аморфного оксида алюминия. Турло видит наибольший потенциал в производстве зеленого водорода. Его получают, расщепляя воду с помощью возобновляемой энергии или даже прямого солнечного света. Чтобы отделить водород от кислорода, который тоже образуется при расщеплении, нужны эффективные мембраны-фильтры, пропускающие только один из газов.

Аморфный глинозем — один из самых перспективных материалов для таких водородных мембран, — говорит Турло. — Наша модель помогает понять, как содержание водорода в материале способствует диффузии газообразного водорода, по сравнению с другими, более крупными молекулами.

В будущем исследователи планируют использовать модель для разработки улучшенных мембран из оксида алюминия.

Понимание структуры материалов на атомном уровне позволяет точечно оптимизировать их свойства — будь то механические, оптические или проницаемость, — считает Утке.

Модель может улучшить все области применения аморфного глинозема, а со временем ее подход применят и к другим аморфным материалам.

Мы показали, что аморфные материалы можно точно моделировать, — подводит итог Турло.

И благодаря машинному обучению этот процесс теперь занимает около суток вместо миллиардов лет.

Польза этого исследования простирается далеко за рамки академического интереса.

• Во-первых, оно открывает путь к рациональному дизайну материалов. Вместо трудоемкого и дорогого метода проб и ошибок в создании, например, тонкопленочных покрытий для микроэлектроники или износостойких слоев, мы получаем инструмент для точного прогноза: как изменится плотность, прочность или химическая стойкость покрытия, если чуть изменить параметры его осаждения. Это прямой путь к экономии ресурсов и ускорению разработок.
• Главный практический козырь — в области водородных технологий. Эффективные, селективные и стабильные мембраны для отделения водорода — один из «узких» элементов в цепочке получения зеленого водорода. Понимание того, как атомы водорода ведут себя в аморфной матрице оксида алюминия, как они создают „пути“ для прохождения газообразного H₂, позволит инженерам сознательно создавать материалы с максимальной проницаемостью и селективностью. Это может значительно снизить энергозатраты на очистку водорода и повысить эффективность установок.
• Наконец, разработанная методология — симбиоз экспериментов, суперкомпьютерного моделирования и ИИ — сама по себе является ценнейшим продуктом. Ее можно адаптировать для изучения других аморфных материалов, будь то стекла, полимеры или сложные сплавы, где атомный беспорядок определяет уникальные свойства.

Основной вопрос, который остается открытым, — это проверка предсказательной силы модели в реальных, а не модельных условиях. Исследование валидировалось на тонких пленках, полученных одним конкретным методом (атомно-слоевым осаждением). Однако аморфный глинозем может синтезироваться и другими способами (распыление, золь-гель метод), которые приводят к иным микроструктурам и содержанию примесей. Пока не доказано, что модель сможет столь же точно предсказывать свойства материалов, полученных альтернативными путями.

Кроме того, в реальных мембранах для водородной энергетики материал работает под давлением, при повышенных температурах и в агрессивной среде. Модель, построенная на данных при стандартных условиях, должна быть дополнительно протестирована на устойчивость своих предсказаний в этих эксплуатационных параметрах, что является отдельной масштабной задачей.

Ранее мы разбирались в перспективах водородной энергетики.