Pesquisadores da Universidade de Penn State desenvolveram sete óxidos de alta entropia inéditos reduzindo os níveis de oxigênio durante a síntese, estabilizando metais como ferro e manganês que tipicamente se desestabilizam. Esse avanço, publicado na Nature Communications, oferece uma estrutura para projetar cerâmicas avançadas para aplicações em energia e eletrônicos. O aprendizado de máquina acelerou a descoberta de composições promissoras.
Cientistas de materiais da Penn State alcançaram um avanço significativo sintetizando sete óxidos de alta entropia, ou HEOs, anteriormente desconhecidos, que incorporam cinco ou mais metais. Essas cerâmicas têm potencial para armazenamento de energia, dispositivos eletrônicos e revestimentos protetores. A inovação principal envolveu a redução de oxigênio no ambiente de síntese para permitir estruturas de rocha-sal estáveis.
O processo começou com um experimento inicial em uma composição rotulada J52, contendo magnésio, cobalto, níquel, manganês e ferro. Ajustando os níveis de oxigênio em um forno tubular, o pesquisador principal Saeed Almishal estabilizou ferro e manganês em seu estado de oxidação 2+, impedindo que se ligassem a oxigênio excessivo como fariam em atmosferas normais. "Ao remover cuidadosamente o oxigênio da atmosfera do forno tubular durante a síntesis, estabilizamos dois metais, ferro e manganês, nas cerâmicas que de outra forma não se estabilizariam na atmosfera ambiente," explicou Almishal.
Prosseguindo, Almishal usou aprendizado de máquina para triar milhares de formulações, identificando mais seis combinações metálicas viáveis. Estudantes de graduação e pós-graduação auxiliaram na fabricação e caracterização de pastilhas cerâmicas sólidas para todos os sete HEOs. "Em um único passo, estabilizamos todas as sete composições possíveis dentro de nossa estrutura atual," observou Almishal, creditando princípios termodinâmicos pela solução direta.
Para confirmar a estabilidade dos materiais, a equipe colaborou com pesquisadores da Virginia Tech, que usaram imagem de absorção de raios X para verificar os estados de oxidação. O trabalho, apoiado pelo Center for Nanoscale Science da Penn State, destaca o papel crítico do oxigênio na formação de cerâmicas. Esforços futuros testarão as propriedades magnéticas dos HEOs e aplicarão o método a outros materiais desafiadores.
O colaborador de graduação Matthew Furst apresentou os achados na reunião de 2025 da American Ceramic Society em Columbus, Ohio, destacando o envolvimento estudantil. O estudo, já amplamente acessado online, fornece uma abordagem versátil para síntese de óxidos complexos.