Понекад, мање кисеоника заиста чини разлику. Смањивањем нивоа кисеоника током синтезе, група научника за материјале у Пенн Стате-у успела је да створи седам раније непознатих оксида високе ентропије, или ХЕО. Ова керамика садржи пет или више метала и истражује се за употребу у складиштењу енергије, електронским уређајима и заштитним премазима.
Током развоја ових материјала, тим је такође зацртао шири оквир за дизајнирање будућих материјала. Њихови налази су објављени у Натуре Цоммуницатионс.
„Пажљивим уклањањем кисеоника из атмосфере цевне пећи током синтезе, стабилизовали смо два метала, гвожђе и манган, у керамику која се иначе не би стабилизовала у амбијенталној атмосфери“, рекао је одговарајући и први аутор Саеед Алмисхал, професор истраживања на Пенн Стате-у који ради са Јон-Паул Мариа, професором Доротхи Пате из науке о материјалима Енригхт.
Рани пробоји и откривање машинског учења
Алмисхал је први пут постигао стабилност у материјалу који садржи манган и гвожђе подешавањем нивоа кисеоника у композицији коју је означио као Ј52. Тај узорак је укључивао магнезијум, кобалт, никл, манган и гвожђе. Након тог почетног успеха, користио је новоразвијене могућности машинског учења које могу брзо да процене хиљаде могућих формулација. Са тим алатима, идентификовао је шест додатних металних комбинација способних да формирају ХЕО.
Радећи заједно са истраживачима на основним студијама који су помогли у процесуирању, производњи и карактеризацији узорака, Алмисхал је произвео чврсте керамичке пелете које представљају свих седам нових ХЕО композиција. Ове студенте су подржали Одељење за науку о материјалима и инжењерство и Пенн Стате Центар за наноразмерну науку, Центар за науку и инжењеринг материјала за истраживање материјала који финансира Национална научна фондација САД.
„У једном кораку стабилизовали смо свих седам композиција које су могуће с обзиром на наш тренутни оквир“, рекао је Алмишал. „Иако је ово раније третирано као сложен проблем у области ХЕО, решење је на крају било једноставно. Уз пажљиво разумевање основа науке о синтези материјала и керамике, а посебно принципа термодинамике, пронашли смо одговор.“
Како нивои кисеоника обликују материјале
Да би се ова керамика стабилизовала, атоми мангана и гвожђа морају остати у 2+ оксидационом стању, формирајући оно што је познато као структура камене соли где се сваки атом везује само са два атома кисеоника. Према Алмишалу, то се не дешава у типичним условима богатим кисеоником. Ако се синтетишу у нормалној атмосфери, манган и гвожђе би наставили да се везују за кисеоник и прешли би у више оксидационо стање, спречавајући материјал да се правилно формира. Смањење кисеоника у цевној пећи ограничава колико је атома кисеоника доступно, омогућавајући да се формира жељена структура камене соли.
„Главно правило које смо следили у синтези ових материјала је улога коју кисеоник игра у стабилизацији таквих керамичких материјала“, рекао је Алмисхал.
Потврђивање структуре и планирање будућих експеримената
Да би потврдио да су манган и гвожђе заиста остали у предвиђеном стању оксидације, Алмисхал је сарађивао са истраживачима на Виргиниа Тецх. Њихов тим је користио напредни приступ сликању који испитује како атоми апсорбују рендгенске зраке. Проучавањем добијених података могли су да потврде оксидациона стања појединих елемената и да покажу да су материјали стабилни.
Следећа фаза рада ће укључивати тестирање магнетних својстава свих седам нових ХЕО. Истраживачи се такође надају да ће користити исте термодинамичке принципе за контролу кисеоника како би стабилизовали друге врсте материјала које је тренутно тешко синтетизовати.
„Чини се да овај рад, коме се већ хиљадама пута приступа онлајн, одјекује истраживачима због своје једноставности“, рекао је Алмишал. „Иако се фокусирамо на ХЕО камене соли, наше методе пружају широк прилагодљив оквир за омогућавање неистражених, обећавајућих хемијски поремећених комплексних оксида.“
Додипломско признање и истраживачка сарадња
Због свог значајног доприноса у лабораторији, коаутор и додипломски студиј науке о материјалима и инжењерству Метју Фурст је позван да представи налазе на годишњем састанку Америчког керамичког друштва (АЦерС) са науком о материјалима и технологијом 2025, који се одржао од 28. септембра до 1. октобра у Колумбусу, Охајо. Овај позив се обично упућује на факултете или студенте виших диплома.
„Веома сам захвалан на приликама које сам имао на овом пројекту и што сам био укључен у сваки корак процеса истраживања и објављивања“, рекао је Фурст. „Могућност да овај материјал представим широкој публици као позвано предавање одражава моју укљученост и одличне смернице које сам добио од својих ментора. Много ми значи да развијем важне комуникацијске вештине као студенту основних студија, и радујем се што ћу се даље развијати у будућности!“
Чланови тима и подршка
Поред Алмишала, Марије и Фурста, истраживачки тим Пенн Стејта укључивали су студенте додипломских студија Јосепха Петруска и Дхииа Срикантх; постдипломци Иуезе Тан и Саи Венката Гаиатхри Аииагари; и Јацоб Сивак, који је недавно стекао докторат из хемије са науком о материјалима. Сарадници факултета били су Насим Алем, професор науке о материјалима и инжењерства; Сусан Синнотт, професор науке о материјалима и инжењерства и хемије; и Лонг-Кинг Цхен, Хамер професор науке о материјалима и инжењерства, професор инжењерских наука и механике и математике.
Са Виргиниа Тецх, коаутори су били Цхристина Рост, доцент науке о материјалима и инжењерству, и дипломирани студент Гералд Бејгер.
Пенн Стате Центер фор Наносцале Сциенце, Центар за науку и инжењеринг материјала за истраживање материјала који финансира Национална научна фондација САД, пружио је подршку овом истраживању.
