Penn State大学の研究者らが、合成中に酸素濃度を低減することで、通常不安定になる鉄やマンガンなどの金属を安定化した7つの新規高エントロピー酸化物を開発した。この画期的な成果はNature Communicationsに掲載され、エネルギーおよび電子機器用途の先進セラミック設計のための枠組みを提供する。機械学習が有望な組成の発見を加速した。
Penn Stateの材料科学者らは、5つ以上の金属を含むこれまでにない7つの高エントロピー酸化物（HEO）を合成し、大きな進展を遂げた。これらのセラミックは、エネルギー貯蔵、電子デバイス、保護コーティングの可能性を秘めている。鍵となった革新は、合成環境中の酸素を低減し、安定したロックソルト構造を可能にした点だ。
プロセスは、J52とラベル付けされた組成（マグネシウム、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄を含む）での初期実験から始まった。チューブ炉内の酸素濃度を調整することで、主研究者のSaeed Almishalは鉄とマンガンを2+酸化状態で安定化し、通常の大気中での過剰酸素結合を防いだ。「合成中にチューブ炉の大気から酸素を慎重に除去することで、周囲大気ではさもなくば安定しないセラミック中に鉄とマンガンの2つの金属を安定化した」とAlmishalは説明した。
これを基に、Almishalは機械学習を用いて数千の配合をスクリーニングし、さらに6つの実行可能な金属組み合わせを特定した。学部生と大学院生が7つのHEOすべてについて固体セラミック・ペレットの製造と特性評価を支援した。「現在の枠組みで可能なすべての7つの組成を一回のステップで安定化した」とAlmishalは述べ、熱力学的原理によるシンプルな解決策を称賛した。
材料の安定性を確認するため、チームはVirginia Techの研究者と協力し、X線吸収イメージングで酸化状態を検証した。Penn Stateのナノスケール科学センターが支援したこの研究は、セラミック形成における酸素の重要な役割を強調する。今後の取り組みでは、HEOの磁気特性をテストし、他の難素材に方法を適用する。
学部生の貢献者Matthew Furstは、オハイオ州コロンバスで開催された2025年のAmerican Ceramic Society会議で成果を発表し、学生の関与を強調した。すでにオンラインで広くアクセスされているこの研究は、複雑な酸化物合成のための多用途アプローチを提供する。