アルミニウムは地球の地殻に豊富に存在する金属であり、その望ましい物理化学的特性のために、多種多様な用途で広く使用されるようになりました。近年、アルミニウムの使用量は大幅に増加しており、近い将来、アルミニウム製品の需要はさらに増加し、今後 5 年間で年間 4% の割合で増加すると予想されており、その後もこの数字は確実に増加します。 .
この増加は、輸送、製造、建設、電気用途、消費財など、アルミニウムが現在使用されている分野だけでなく、新しい技術開発の結果として出現すると予想される分野にも起因しています。燃料電池車の例
より高度な技術の適用には、製造におけるより高い要求が伴います。これらの需要は、製品の高度化と製造プロセスの複雑化により、常に増加しています。これは、高度化すると物理化学的特性をより適切に制御する必要があり、エラーの許容範囲が小さくなるためです。アルミニウム製品も例外ではなく、アルミニウムの陽極酸化 (制御された酸化) プロセスは広く使用されていますが、技術的に厳しいプロセスです。
陽極酸化は、素材に保護と機能を提供するための重要なプロセスです。近年、この金属の新しい用途が陽極酸化プロセスの限界を押し広げており、これにより、酸素とアルミニウムの間の反応に関する基本的なレベル、つまり原子および電子スケールでの知識が必要になりました。このような知識は、原子スケールの現象の結果であり、非常に短い時間と長さのスケールで発生するが、製造プロセスなどで物事がどのように発展するかを決定するプロセスを理解するために必要です.
近年、スーパーコンピューターの計算能力の向上、新しい並列化アルゴリズムの効率の向上、および量子力学の世界を記述する複雑な方程式を処理するためのより堅牢なアルゴリズムの開発により、実際のシステムの量子力学的研究が可能になりました。この意味で、スーパーコンピューターは酸化などの現象の研究に不可欠なツールになりつつあります。酸化は非常に短い時間スケールで発生し、その非常に動的な性質のために実験的に研究することは困難です。
動力学的に制御されたプロセスと熱力学的に制御されたプロセスとの間の相互作用は、実験的測定を困難にし、動力学的効果により品質の熱力学的情報を常に得ることができるとは限りません。この意味で、これらのプロセスの量子力学的モデリングの結果は、実験の範囲外の情報を提供します。課題は、量子力学モデリングで使用できるが、システムを表すことができるモデルを設定することです。実際には、これはモデルが巨視的世界の有効な表現であるためには十分に大きくなければならないことを意味しますが、同時に、これらの計算は非常に大きな計算負荷を意味するため、利用可能なスーパーコンピューターで処理できるように十分に小さくする必要があります.
スウェーデン王立工科大学の C. Lousada と P. Korzhavyi は、密度汎関数理論 (DFT) の形式と周期境界条件の範囲内で量子力学的モデリングを使用して、アルミニウムの酸化の第 1 段階のメカニズムを研究しました。可能性のあるさまざまな原子構造とメカニズムをスキャンします。研究者は、静的核 DFT 計算とそれに続く DFT ベースの分子動力学を使用して、発見が有限温度で有効であり、実験室条件での酸化物成長の正しいメカニズムであることを確認しました。
気相O2にさらされた純粋な金属表面の酸化中 、酸素は材料とランダムに反応します。このため、酸化プロセスの既存の図は、入ってくる O
各メカニズムの有病率は、酸素原子の被覆率に依存し、有力なメカニズムは、酸素の被覆率が非常に低い場合でも、酸化物の成長とともに変化します。表面の O 原子の特定の範囲まで、酸化物の成長は、O 原子の集合体の形成を通じて進行し、クラスターまたは島の形をした対称性の低い構造を形成します。 O 原子の被覆が増加すると、これらの島は酸化アルミニウムの列を形成し始め、一定の被覆に達した後、酸化物はより均一な方法で形成され始め、欠陥が少なく、対称性の高い構造が生じます。
ただし、成長モードのこの変更は、大規模な表面再構築を意味し、表面にかなりの量の応力を追加します。その結果、形成された酸化物に欠陥があり、粗くなります。これは、陽極酸化のコンテキストで粗さや欠陥が望ましくない場合に、得られる表面フィルムの品質に影響を与えます。
これらの調査結果は、最近 Applied Surface Science 誌に掲載された、Al(110) 上の酸化物成長の第一段階と密度汎関数理論計算からのコア レベル シフトというタイトルの記事で説明されています。 .この作業は、KTH 王立工科大学の Cláudio M. Lousada と Pavel A. Korzhavyi によって実施されました。
