Investigadores de la Universidad de Penn State han desarrollado siete óxidos de alta entropía novedosos reduciendo los niveles de oxígeno durante la síntesis, estabilizando metales como el hierro y el manganeso que típicamente se desestabilizan. Este avance, publicado en Nature Communications, ofrece un marco para diseñar cerámicas avanzadas para aplicaciones en energía y electrónica. El aprendizaje automático aceleró el descubrimiento de composiciones prometedoras.
Científicos de materiales en Penn State lograron un avance significativo sintetizando siete óxidos de alta entropía, o HEO, previamente desconocidos, que incorporan cinco o más metales. Estas cerámicas tienen potencial para almacenamiento de energía, dispositivos electrónicos y recubrimientos protectores. La innovación clave consistió en reducir el oxígeno en el entorno de síntesis para permitir estructuras estables de tipo roca-sal.
El proceso comenzó con un experimento inicial en una composición etiquetada como J52, que contiene magnesio, cobalto, níquel, manganeso y hierro. Ajustando los niveles de oxígeno en un horno tubular, el investigador principal Saeed Almishal estabilizó el hierro y el manganeso en su estado de oxidación 2+, impidiendo que se unieran a oxígeno excesivo como lo harían en atmósferas normales. «Al eliminar cuidadosamente el oxígeno de la atmósfera del horno tubular durante la síntesis, estabilizamos dos metales, hierro y manganeso, en las cerámicas que de otro modo no se estabilizarían en la atmósfera ambiente», explicó Almishal.
Basándose en esto, Almishal utilizó aprendizaje automático para examinar miles de formulaciones, identificando seis combinaciones metálicas más viables. Estudiantes de pregrado y posgrado ayudaron en la fabricación y caracterización de pastillas cerámicas sólidas para los siete HEO. «En un solo paso, estabilizamos las siete composiciones posibles dada nuestra estructura actual», señaló Almishal, atribuyendo los principios termodinámicos a la solución directa.
Para confirmar la estabilidad de los materiales, el equipo colaboró con investigadores de Virginia Tech, que utilizaron imágenes de absorción de rayos X para verificar los estados de oxidación. El trabajo, apoyado por el Centro de Ciencia a Nanoescala de Penn State, subraya el papel crítico del oxígeno en la formación de cerámicas. Los esfuerzos futuros probarán las propiedades magnéticas de los HEO y aplicarán el método a otros materiales desafiantes.
El colaborador de pregrado Matthew Furst presentó los hallazgos en la reunión de 2025 de la American Ceramic Society en Columbus, Ohio, destacando la participación estudiantil. El estudio, ya ampliamente accesido en línea, proporciona un enfoque versátil para la síntesis de óxidos complejos.