طور باحثون في جامعة بن ستيت سبعة أكاسيد عالية الإنتروبيا جديدة من خلال تقليل مستويات الأكسجين أثناء التركيب، مما يثبت معادن مثل الحديد والمنغنيز التي عادةً ما تفقد الاستقرار. هذا الاختراق، المنشور في Nature Communications، يقدم إطارًا لتصميم السيراميك المتقدم لتطبيقات الطاقة والإلكترونيات. سرعت التعلم الآلي اكتشاف التركيبات الواعدة.
حقق علماء المواد في بن ستيت تقدمًا كبيرًا من خلال تركيب سبعة أكاسيد عالية الإنتروبيا غير معروفة سابقًا، أو HEOs، التي تحتوي على خمسة معادن أو أكثر. تمتلك هذه السيراميك إمكانيات لتخزين الطاقة والأجهزة الإلكترونية والطلاءات الواقية. كانت الابتكار الرئيسي يتضمن خفض الأكسجين في بيئة التركيب لتمكين هياكل صخر الملح المستقرة.
بدأ العملية بتجربة أولية على تركيبة مسماة J52، تحتوي على المغنيسيوم والكوبالت والنيكل والمنغنيز والحديد. من خلال تعديل مستويات الأكسجين في فرن أنبوبي، نجح الباحث الرئيسي سعيد الميشال في تثبيت الحديد والمنغنيز في حالة أكسدة 2+، مما منع ارتباطهما بالأكسجين الزائد كما يحدث في الغلاف الجوي العادي. "من خلال إزالة الأكسجين بعناية من غلاف الفرن الأنبوبي أثناء التركيب، ثبتنا معدنين، الحديد والمنغنيز، في السيراميك الذي لن يستقر خلاف ذلك في الغلاف الجوي المحيط"، أوضح الميشال.
بناءً على ذلك، استخدم الميشال التعلم الآلي لفحص آلاف التركيبات، محددًا ست مزيجات معادن قابلة للتطبيق أخرى. ساعد طلاب البكالوريوس والدراسات العليا في تصنيع وتوصيف حبيبات سيراميك صلبة لجميع السبعة HEOs. "في خطوة واحدة، ثبتنا جميع السبع تركيبات الممكنة ضمن إطارنا الحالي"، لاحظ الميشال، مشيدًا بمبادئ الديناميكا الحرارية للحل البسيط.
للتأكيد على استقرار المواد، تعاون الفريق مع باحثي فيرجينيا تيك، الذين استخدموا التصوير بالامتصاص بالأشعة السينية للتحقق من حالات الأكسدة. يبرز العمل، المدعوم من مركز العلوم النانوية في بن ستيت، الدور الحاسم للأكسجين في تشكيل السيراميك. ستختبر الجهود المستقبلية الخصائص المغناطيسية للـHEOs وتطبيق الطريقة على مواد أخرى صعبة.
قدم المساهم الجامعي ماثيو فيرست النتائج في اجتماع الجمعية الأمريكية للسيراميك عام 2025 في كولومبوس، أوهايو، مشددًا على مشاركة الطلاب. يقدم الدراسة، التي تم الوصول إليها على نطاق واسع عبر الإنترنت بالفعل، نهجًا متعدد الاستخدامات لتركيب الأكاسيد المعقدة.