科学家们揭示了铝氧化物表面的复杂结构，这是一个困扰研究人员多年的问题。维也纳科技大学和维也纳大学的研究人员成功解读了铝氧化物表面的复杂结构，这是几十年来困扰科学家的一个谜团。
铝氧化物（Al2O3），通常称为铝土矿、刚玉、蓝宝石或红宝石，被认为是最优秀的绝缘体之一，具有多种应用，包括在电子设备中的使用、作为催化剂的支持介质以及在抵抗化学反应的陶瓷中。清楚理解表面原子的精确排列对于掌握这种材料上化学反应的发生方式尤其重要，尤其是在催化过程中。虽然材料内部的原子以特定模式组织，从而导致晶体的独特形状，但表面的结构与内层晶体的结构不同。由于铝土矿的强绝缘特性，实验研究面临挑战，导致确切的表面结构在五十多年里未能明确。来自维也纳科技大学和维也纳大学的研究人员现在已解决了Al2O3表面的复杂结构，该难题在1997年被指定为“表面科学三大谜团”之一。研究团队在Jan Balajka和Ulrike Diebold的指导下，最近在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。
利用高分辨率显微镜识别表面原子
研究团队采用非接触原子力显微镜（ncAFM）来检查表面结构。这项技术通过以最小距离扫描附加在石英音叉上的细尖来捕获表面的图像。当尖端与表面原子相互作用时，音叉的频率发生变化，而不与材料接触。进行实验的Johanna Hütner elaborates说：“在ncAFM图像中，我们可以观察到原子的位置信息，但无法确定它们的化学身份。我们通过精确控制尖端来解决化学敏感性的限制。通过将一个氧原子附加到尖端，我们能够区分表面上的氧原子和铝原子。尖端上的氧原子受到表面其他氧原子的排斥，但却被Al2O3的铝原子吸引。通过映射这种局部排斥或吸引，我们可以直接可视化表面上每个原子的化学身份。”
表面重组在不改变组成的情况下稳定结构
研究人员发现，表面会发生重新排列，使表面的铝原子能够潜入材料中，与深层的氧原子形成键。顶层两个原子的重组大幅降低能量，有效增强了结构的稳定性。与之前的假设相反，铝原子与氧原子的数量比并没有改变。
为了生成铝氧化物表面的三维模型，采用了机器学习技术。主要的挑战在于将重组的表面与基础晶体相关联。“结构的复杂性导致原子有多种排列方式，这在实验中无法获取。先进的机器学习算法与传统计算方法相结合，使我们能够探讨许多配置并创建铝氧化物表面的稳定三维模型，”执行计算建模的Andrea Conti表示。
“通过实验和计算研究的共同努力，我们不仅解决了一个长期未解的谜团，揭示了这种引人入胜的绝缘体的复杂结构，而且还发现了一些设计原则，可以应用于各种材料。我们的研究结果为催化、材料科学及其他领域的进展打开了新的途径，”首席研究员Jan Balajka说道。
用于非接触原子力显微镜的实验设置的一些组件已经获得专利：用于高分辨率显微镜的被动振动隔离。
