L'isolateur s'effiloche
Les scientifiques ont découvert la structure détaillée de la surface de l'oxyde d'aluminium, un défi qui a déconcerté les chercheurs pendant des décennies
L'oxyde d'aluminium (Al2O3), également connu sous le nom d'alumine, de corindon, de saphir ou de rubis, est l'un des meilleurs isolants utilisés dans un large éventail d'applications : dans les composants électroniques, comme matériau de support pour les catalyseurs ou comme céramique chimiquement résistante, pour n'en citer que quelques-unes. La connaissance de l'arrangement précis des atomes de surface est essentielle pour comprendre comment les réactions chimiques se produisent sur ce matériau, notamment dans les processus catalytiques. Les atomes à l'intérieur du matériau suivent un arrangement fixe, ce qui donne lieu aux formes caractéristiques des cristaux. À la surface, en revanche, la structure diffère de celle du cristal. La nature fortement isolante de l'alumine a entravé les études expérimentales, et la structure de la surface a échappé à toute détermination précise pendant plus d'un demi-siècle. Des chercheurs de la TU Wien et de l'université de Vienne ont maintenant résolu la structure complexe de la surface d'Al2O3, une énigme répertoriée en 1997 comme l'un des "trois mystères de la science des surfaces". Le groupe de recherche dirigé par Jan Balajka et Ulrike Diebold a récemment publié ses résultats dans la revue Science.
La microscopie à haute résolution identifie les atomes de surface
L'équipe de recherche a utilisé la microscopie à force atomique sans contact (ncAFM) pour analyser la structure de la surface. Cette méthode génère des images de la structure de la surface en balayant une pointe acérée montée sur un diapason en quartz à une faible distance de la surface. La fréquence du diapason change lorsque la pointe interagit avec les atomes de la surface sans toucher le matériau. Johanna Hütner, qui a réalisé les expériences, explique : "Dans une image ncAFM, on peut voir l'emplacement des atomes, mais pas leur identité chimique. Nous avons surmonté le manque de sensibilité chimique en contrôlant précisément la pointe. En attachant un seul atome d'oxygène à l'apex de la pointe, nous avons pu faire la distinction entre les atomes d'oxygène et d'aluminium à la surface. L'atome d'oxygène sur la pointe est repoussé par les autres atomes d'oxygène de la surface et attiré par les atomes d'aluminium de la surface d'Al2O3. La cartographie de la répulsion ou de l'attraction locale nous a permis de visualiser directement l'identité chimique de chaque atome de la surface".
La restructuration stabilise la surface sans en modifier la composition
Les chercheurs ont constaté que la surface se réarrange pour permettre aux atomes d'aluminium de la surface de pénétrer dans le matériau et de former des liaisons chimiques avec les atomes d'oxygène des couches plus profondes. Ce réarrangement des deux premières couches atomiques réduit considérablement l'énergie, ce qui stabilise efficacement la structure. Contrairement à ce que l'on croyait, le rapport numérique entre les atomes d'aluminium et d'oxygène reste inchangé.
Le modèle tridimensionnel de la surface de l'oxyde d'aluminium a été optimisé à l'aide de méthodes d'apprentissage automatique. Le principal défi consistait à faire correspondre la surface restructurée avec le cristal sous-jacent. "La structure est très complexe, ce qui donne lieu à un grand nombre de possibilités quant à la façon dont les atomes inaccessibles expérimentalement sous la surface pourraient être arrangés. Les algorithmes d'apprentissage automatique de pointe combinés aux méthodes de calcul conventionnelles nous ont permis d'examiner de nombreuses possibilités et de créer un modèle tridimensionnel stable de la surface de l'oxyde d'aluminium", déclare Andrea Conti, qui a réalisé la modélisation informatique.
"Grâce à la collaboration entre la recherche expérimentale et la recherche informatique, nous avons non seulement résolu un mystère de longue date en déterminant la structure détaillée de cet isolant énigmatique, mais nous avons également découvert des principes de conception de structure applicables à toute une classe de matériaux. Nos résultats ouvrent la voie à des avancées en catalyse, en science des matériaux et dans d'autres domaines", déclare Jan Balajka, qui a dirigé la recherche.
Certaines parties du dispositif expérimental abritant le microscope à force atomique sans contact ont été brevetées.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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