Forskare vid Penn State University har utvecklat sju nya högentropioksider genom att minska syrenivåerna under syntesen, vilket stabiliserar metaller som järn och mangan som vanligtvis destabiliseras. Detta genombrott, publicerat i Nature Communications, erbjuder ett ramverk för att utforma avancerade keramiker för energianvändning och elektronik. Maskininlärning påskyndade upptäckten av lovande kompositioner.
Materialvetare vid Penn State uppnådde ett betydande framsteg genom att syntetisera sju tidigare okända högentropioksider, eller HEO, som innehåller fem eller fler metaller. Dessa keramiker har potential för energilagring, elektroniska enheter och skyddande beläggningar. Den nyckelinnehållande innovationen innebar att sänka syret i syntesmiljön för att möjliggöra stabila bergssaltstrukturer.
Processen började med ett inledande experiment på en komposition märkta J52, innehållande magnesium, kobolt, nickel, mangan och järn. Genom att justera syrenivåerna i en rörugn stabiliserade huvudforskaren Saeed Almishal järn och mangan i deras 2+-oxidations tillstånd, vilket förhindrade att de band överskottsy syre som de skulle göra i normala atmosfärer. «Genom att noggrant avlägsna syre från rörugnens atmosfär under syntesen stabiliserade vi två metaller, järn och mangan, i keramiker som annars inte skulle stabiliseras i den omgivande atmosfären», förklarade Almishal.
Byggande på detta använde Almishal maskininlärning för att screena tusentals formuleringar och identifiera sex ytterligare genomförbara metallkombinationer. Grund- och doktorander assisterade i tillverkning och karakterisering av fasta keramiska pellets för alla sju HEO. «I ett enda steg stabiliserade vi alla sju möjliga kompositioner givet vårt nuvarande ramverk», noterade Almishal och krediterade termodynamiska principer för den enkla lösningen.
För att bekräfta materialens stabilitet samarbetade teamet med forskare från Virginia Tech, som använde röntgenabsorptionsavbildning för att verifiera oxidations tillstånden. Arbetet, som stöds av Penn States Center for Nanoscale Science, understryker syrets kritiska roll i keramiktillverkning. Framtida ansträngningar kommer att testa HEO:ernas magnetiska egenskaper och tillämpa metoden på andra utmanande material.
Undergraduatebidragsgivaren Matthew Furst presenterade resultaten vid American Ceramic Societys möte 2025 i Columbus, Ohio, och belyste studenternas involvering. Studien, som redan är brett åtkomlig online, ger ett mångsidigt tillvägagångssätt för komplex oxidsyntes.