Μελέτη των Πρώτων Σταδίων Οξείδωσης Αλουμινίου με Κβαντομηχανική Μοντελοποίηση
Το αλουμίνιο είναι ένα άφθονο μέταλλο στον φλοιό της Γης και έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών επίσης λόγω των επιθυμητών φυσικοχημικών ιδιοτήτων του. Η χρήση του αλουμινίου έχει αυξηθεί πάρα πολύ τα τελευταία χρόνια, και στο άμεσο μέλλον η ζήτηση για προϊόντα αλουμινίου αναμένεται να αυξηθεί ακόμη περισσότερο, με ρυθμό 4% ετησίως τα επόμενα 5 χρόνια, και το ποσοστό αυτό σίγουρα θα αυξηθεί μετά από αυτό .
Η αύξηση αυτή οφείλεται όχι μόνο στους τομείς όπου χρησιμοποιείται σήμερα το αλουμίνιο, όπως οι μεταφορές, η κατασκευή, οι κατασκευές, οι ηλεκτρικές εφαρμογές και τα καταναλωτικά αγαθά, αλλά και σε τομείς που αναμένεται να αναδυθούν ως αποτέλεσμα νέων τεχνολογικών εξελίξεων, όπως παράδειγμα οχημάτων που κινούνται με κυψέλες καυσίμου.
Οι πιο προηγμένες τεχνολογικές εφαρμογές συνοδεύονται από υψηλότερες απαιτήσεις στην κατασκευή. Αυτές οι απαιτήσεις αυξάνονται συνεχώς λόγω της αυξημένης πολυπλοκότητας των προϊόντων και των πιο περίπλοκων διαδικασιών παραγωγής τους. Αυτό συμβαίνει επειδή η υψηλότερη πολυπλοκότητα απαιτεί καλύτερο έλεγχο των φυσικοχημικών ιδιοτήτων και τα περιθώρια λάθους γίνονται μικρότερα. Τα προϊόντα αλουμινίου δεν αποτελούν εξαίρεση σε αυτό και η διαδικασία ανοδίωσης (ελεγχόμενης οξείδωσης) του αλουμινίου είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη αλλά τεχνολογικά απαιτητική διαδικασία.
Η ανοδίωση είναι μια σημαντική διαδικασία για την παροχή προστασίας και λειτουργικότητας στο υλικό. Τα τελευταία χρόνια νέες εφαρμογές για αυτό το μέταλλο έχουν ωθήσει τα όρια των διεργασιών ανοδίωσης και αυτό οδήγησε στην ανάγκη γνώσης για τις αντιδράσεις μεταξύ οξυγόνου και αλουμινίου σε θεμελιώδες επίπεδο — σε ατομική και ηλεκτρονική κλίμακα. Τέτοιες γνώσεις είναι απαραίτητες για την κατανόηση διεργασιών που είναι αποτέλεσμα φαινομένων ατομικής κλίμακας και που συμβαίνουν σε πολύ σύντομες κλίμακες χρόνου και μήκους, αλλά που εξακολουθούν να καθορίζουν πώς εξελίσσονται τα πράγματα, για παράδειγμα, σε μια διαδικασία παραγωγής.
Τα τελευταία χρόνια, οι κβαντομηχανικές μελέτες πραγματικών συστημάτων κατέστησαν δυνατές λόγω της αύξησης της υπολογιστικής ισχύος των υπερυπολογιστών, της αυξημένης απόδοσης νέων αλγορίθμων παραλληλοποίησης και της ανάπτυξης πιο ισχυρών αλγορίθμων για τον χειρισμό των περίπλοκων εξισώσεων που περιγράφουν τον κόσμο της κβαντικής μηχανικής. Υπό αυτή την έννοια, οι υπερυπολογιστές γίνονται απαραίτητα εργαλεία για τη μελέτη φαινομένων όπως η οξείδωση, η οποία είναι δύσκολο να μελετηθεί πειραματικά λόγω των πολύ σύντομων χρονικών κλιμάκων στις οποίες συμβαίνει και λόγω της εξαιρετικά δυναμικής φύσης της.
Η αλληλεπίδραση μεταξύ κινητικά και θερμοδυναμικά ελεγχόμενων διεργασιών προσθέτει δυσκολίες στις πειραματικές μετρήσεις και δεν είναι πάντα δυνατό να ληφθούν θερμοδυναμικές πληροφορίες ποιότητας λόγω κινητικών επιδράσεων. Υπό αυτή την έννοια, τα αποτελέσματα της κβαντομηχανικής μοντελοποίησης αυτών των διαδικασιών δίνουν πληροφορίες που δεν είναι προσβάσιμες στα πειράματα. Οι προκλήσεις είναι στη συνέχεια να δημιουργηθούν μοντέλα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κβαντομηχανική μοντελοποίηση αλλά που μπορούν να αντιπροσωπεύουν τα συστήματα. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι τα μοντέλα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλα για να είναι έγκυρες αναπαραστάσεις του μακροσκοπικού κόσμου, αλλά ταυτόχρονα πρέπει να είναι αρκετά μικρά για να τα χειρίζονται οι διαθέσιμοι υπερυπολογιστές επειδή αυτοί οι υπολογισμοί συνεπάγονται πολύ μεγάλα υπολογιστικά φορτία. /P>
Χρησιμοποιώντας κβαντομηχανική μοντελοποίηση εντός του φορμαλισμού της συναρτησιακής θεωρίας πυκνότητας (DFT) και των περιοδικών συνοριακών συνθηκών, οι C. Lousada και P. Korzhavyi από το Βασιλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας – KTH, Σουηδία, μελέτησαν τους μηχανισμούς των πρώτων σταδίων της οξείδωσης ενός αλουμινίου επιφάνεια, σάρωση μέσω μιας ποικιλίας πιθανών ατομικών δομών και μηχανισμών. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν υπολογισμούς DFT στατικού πυρήνα που ακολουθήθηκαν από μοριακή δυναμική με βάση το DFT για να επιβεβαιώσουν ότι τα ευρήματα ισχύουν σε πεπερασμένες θερμοκρασίες και είναι οι σωστοί μηχανισμοί για την ανάπτυξη ενός οξειδίου σε εργαστηριακές συνθήκες.
Κατά την οξείδωση μιας καθαρής μεταλλικής επιφάνειας που εκτίθεται σε αέρια φάση O2 , το οξυγόνο αντιδρά με τυχαίο τρόπο με το υλικό. Εξαιτίας αυτού, η υπάρχουσα εικόνα της διαδικασίας οξείδωσης είναι ότι με την αύξηση του αριθμού των εισερχόμενων O2 Υπάρχει μια διάθεση ατόμων Ο στην επιφάνεια που είναι αρκετά ομοιογενής και αυτό θα αντιστοιχεί στη θερμοδυναμικά ευνοημένη δομή γιατί στην περίπτωση αυτή οι τάσεις που προκαλούνται από τα άτομα Ο και οι συνολικές διπολικές ροπές κατανέμονται πιο ομοιογενώς στην επιφάνεια. Ωστόσο, αυτοί οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι για αυτήν την επιφάνεια αλουμινίου υπάρχουν δύο διαφορετικοί κύριοι μηχανισμοί που κυριαρχούν στην ανάπτυξη του οξειδίου.
Η επικράτηση καθενός από τους μηχανισμούς εξαρτάται από την κάλυψη των ατόμων οξυγόνου και ο επικρατέστερος μηχανισμός αλλάζει με την ανάπτυξη του οξειδίου ακόμη και για πολύ χαμηλές καλύψεις οξυγόνου. Μέχρι μια ορισμένη κάλυψη ατόμων Ο στην επιφάνεια, η ανάπτυξη του οξειδίου προχωρά μέσω του σχηματισμού συσσωματωμάτων ατόμων Ο ως δομών χαμηλής συμμετρίας με τη μορφή συστάδων ή νησίδων. Με την αυξανόμενη κάλυψη των ατόμων Ο αυτά τα νησιά αρχίζουν να σχηματίζουν σειρές οξειδίου του αλουμινίου και αφού επιτευχθεί μια ορισμένη κάλυψη, το οξείδιο αρχίζει να σχηματίζεται με πιο ομοιογενή τρόπο και δημιουργεί λιγότερο ελαττωματικές και υψηλότερης συμμετρίας δομές.
Ωστόσο, αυτή η αλλαγή στον τρόπο ανάπτυξης συνεπάγεται μεγάλες ανακατασκευές επιφανειών και προσθέτει σημαντική ποσότητα πίεσης στην επιφάνεια. Το αποτέλεσμα είναι ότι το οξείδιο που σχηματίζεται θα είναι ελαττωματικό και τραχύ. Αυτό θα έχει επιπτώσεις στην ποιότητα των λαμβανόμενων επιφανειακών μεμβρανών όπου η τραχύτητα και τα ελαττώματα είναι ανεπιθύμητα στο πλαίσιο της ανοδίωσης.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο First stages of oxide growth on Al(110) and core-level shifts from density functional theory calculations, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Surface Science . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Cláudio M. Lousada και Pavel A. Korzhavyi από το KTH Royal Institute of Technology.
