Dem Geheimnis von atomaren Dünnschichten auf der Spur

Amorphes Aluminiumoxid wird häufig in Form von schützenden Dünnschichten und Membranen eingesetzt. Was dabei auf atomarer Ebene im Material passiert, ist im Detail noch unklar. Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Empa konnte die ungeordnete Materialstruktur dank Experimenten und maschinellem Lernen nun erstmals modellieren. Die Empa spricht von einem Durchbruch für die Produktion von Wasserstoff.

Trotz seiner weiten Verbreitung und des Wissens zu seiner Verarbeitung wirft amorphes Aluminiumoxid auf atomarer Ebene noch einige Fragen auf. Laut einer Medienmitteilung der Empa ist es Forschenden erstmals gelungen, amorphes Aluminiumoxid schnell, genau und in kurzer Zeit am Computer zu simulieren. Ihr Modell, das experimentelle Daten, Hochleistungssimulationen und maschinelles Lernen vereint, gebe Auskunft über die atomare Anordnung in amorphen Al2O3-Schichten und sei das erste seiner Art. Die Resultate haben die Forschenden in der Fachzeitschrift «npj Computational Materials» veröffentlicht.

Laut den Forschenden ebnet dieses Verständnis der atomaren Struktur den Weg zu neuen Anwendungen von amorphem Aluminiumoxid. Das grösste Potenzial bestehe im Bereich der Herstellung von grünem Wasserstoff. Um den Wasserstoff vom ebenfalls entstehenden Sauerstoff zu trennen, werden effektive Filtermaterialien benötigt, die nur eines der Gase passieren lassen. «Amorphes Aluminiumoxid ist ein enorm vielversprechendes Material für diese Wasserstoffmembranen», ist Empa-Forscher Vladyslav Turlo überzeugt. «Dank unseres Modells gewinnen wir ein besseres Verständnis davon, wie der Wasserstoffgehalt im Material die Diffusion von gasförmigem Wasserstoff im Vergleich zu grösseren Gasmolekülen begünstigt.» In Zukunft wollen die Empa-Forschenden anhand der Modellierungen gezielt Aluminiumoxid-Membranen herstellen.

Amorphe Strukturen schwerer zu verstehen

Kristalline Materialien, bestehend aus sich regelmässig wiederholenden Einheiten, lassen sich einfacher auf das einzelne Atom untersuchen und am Computer modellieren. Amorphe Materialien hingegen haben keine derart periodische Struktur. Diese Atome liegen bei oberflächlicher Betrachtung mehr oder weniger ungeordnet und sind laut den Forscherinnen und Forschern so schwer zu untersuchen und noch schwerer zu modellieren. «Wenn wir das Wachstum einer dünnen Beschichtung aus amorphem Aluminiumoxid auf atomarer Ebene von Grund auf simulieren würden, würde die Berechnung mit heutigen Methoden länger dauern als das Alter des Universums», so Turlo. Genaue Simulationen seien aber der Schlüssel zur effektiven Materialforschung: Sie helfen Forschenden dabei, ihre Materialien zu verstehen und deren Eigenschaften für ihre Nutzung zu optimieren.