Des chercheurs de l'Université Penn State ont développé sept nouveaux oxydes à haute entropie en réduisant les niveaux d'oxygène pendant la synthèse, stabilisant des métaux comme le fer et le manganèse qui se déstabilisent habituellement. Cette avancée, publiée dans Nature Communications, offre un cadre pour concevoir des céramiques avancées pour des applications énergétiques et électroniques. L'apprentissage automatique a accéléré la découverte de compositions prometteuses.
Les scientifiques des matériaux de Penn State ont réalisé une avancée significative en synthétisant sept oxydes à haute entropie, ou HEO, auparavant inconnus, qui intègrent cinq métaux ou plus. Ces céramiques offrent un potentiel pour le stockage d'énergie, les dispositifs électroniques et les revêtements protecteurs. L'innovation clé a consisté à abaisser l'oxygène dans l'environnement de synthèse pour permettre des structures rock-salt stables.
Le processus a commencé par une expérience initiale sur une composition labellisée J52, contenant du magnésium, du cobalt, du nickel, du manganèse et du fer. En ajustant les niveaux d'oxygène dans un four tubulaire, le chercheur principal Saeed Almishal a stabilisé le fer et le manganèse dans leur état d'oxydation 2+, les empêchant de se lier à un excès d'oxygène comme ils le feraient dans des atmosphères normales. « En retirant soigneusement l'oxygène de l'atmosphère du four tubulaire pendant la synthèse, nous avons stabilisé deux métaux, le fer et le manganèse, dans les céramiques qui ne se stabiliseraient autrement pas dans l'atmosphère ambiante », a expliqué Almishal.
S'appuyant sur cela, Almishal a utilisé l'apprentissage automatique pour examiner des milliers de formulations, identifiant six autres combinaisons métalliques viables. Des étudiants de premier cycle et des doctorants ont aidé à fabriquer et caractériser des pastilles céramiques solides pour les sept HEO. « En une seule étape, nous avons stabilisé les sept compositions possibles dans notre cadre actuel », a noté Almishal, créditant les principes thermodynamiques pour la solution simple.
Pour confirmer la stabilité des matériaux, l'équipe a collaboré avec des chercheurs de Virginia Tech, qui ont utilisé l'imagerie par absorption des rayons X pour vérifier les états d'oxydation. Ce travail, soutenu par le Center for Nanoscale Science de Penn State, souligne le rôle critique de l'oxygène dans la formation des céramiques. Les efforts futurs testeront les propriétés magnétiques des HEO et appliqueront la méthode à d'autres matériaux difficiles.
Le contributeur étudiant de premier cycle Matthew Furst a présenté les résultats à la réunion 2025 de l'American Ceramic Society à Columbus, Ohio, soulignant l'implication des étudiants. L'étude, déjà largement consultée en ligne, fournit une approche polyvalente pour la synthèse d'oxydes complexes.