A veces, tener menos oxígeno realmente marca la diferencia. Al reducir los niveles de oxígeno durante la síntesis, un grupo de científicos de materiales de Penn State logró crear siete óxidos de alta entropía (HEO, por sus siglas en inglés) previamente desconocidos. Estas cerámicas contienen cinco o más metales y se están explorando para su uso en almacenamiento de energía, dispositivos electrónicos y revestimientos protectores.
Mientras desarrollaba estos materiales, el equipo también describió un marco amplio para diseñar materiales futuros. Sus hallazgos fueron publicados comunicación de la naturaleza.
“Al eliminar cuidadosamente el oxígeno de la atmósfera en el horno tubular durante la síntesis, estabilizamos dos metales, hierro y manganeso, en la cerámica que de otro modo no se estabilizarían en la atmósfera ambiental”, dijo el primer autor y correspondiente, Saeed Almishal, profesor de investigación en Penn State, que trabaja con Jon-Pross Dorite. ciencia
Los primeros avances y el descubrimiento del aprendizaje automático
Almishal logró por primera vez estabilidad en un material que contenía manganeso y hierro que ajustaba los niveles de oxígeno en una composición que denominó J52. Esa muestra incluía magnesio, cobalto, níquel, manganeso y hierro. Después de ese éxito inicial, utilizó capacidades de aprendizaje automático recientemente desarrolladas que podían evaluar rápidamente miles de formulaciones potenciales. Con estas herramientas, identificó seis compuestos metálicos adicionales capaces de formar HEO.
Trabajando con investigadores universitarios que ayudaron a procesar, fabricar y caracterizar las muestras, Almishal produjo gránulos cerámicos sólidos que representan las siete nuevas composiciones de HEO. Estos estudiantes contaron con el apoyo del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y el Centro de Ciencia a Nanoescala de Penn State, un Centro de Investigación, Ciencia e Ingeniería de Materiales financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
“En un solo paso, estabilizamos siete posibles composiciones basadas en nuestra estructura actual”, dijo Almishal. “Aunque anteriormente esto se consideraba un problema complejo en HEO, la solución finalmente fue simple. Con una comprensión cuidadosa de los fundamentos de la ciencia de la síntesis cerámica y de los materiales, y especialmente los principios de la termodinámica, encontramos la respuesta”.
¿Cómo da forma la capa de oxígeno al material?
Para estabilizar estas cerámicas, los átomos de manganeso y hierro deben estar en el estado de oxidación 2+, conocido como estructura de sal de roca donde cada átomo se une a solo dos átomos de oxígeno. Según Almishal, esto no ocurre en condiciones normales ricas en oxígeno. Si se sintetizan en una atmósfera normal, el manganeso y el hierro continuarán uniéndose al oxígeno y pasarán a un estado de oxidación más alto, impidiendo que el material se forme correctamente. La reducción de oxígeno en el horno tubular limita la cantidad de átomos de oxígeno disponibles, lo que lleva a la formación de la sal gema deseada.
“La regla principal que seguimos al sintetizar estos materiales es que el oxígeno desempeña un papel en la estabilización de este tipo de materiales cerámicos”, dijo Almishal.
Validar marcos y planificar futuros experimentos.
Para verificar que el manganeso y el hierro realmente permanecían en el estado de oxidación previsto, Almishal colaboró con investigadores del Virginia Tech. Su equipo utilizó un método de imágenes avanzado que examina cómo los átomos absorben los rayos X. Al estudiar los datos resultantes, pudieron confirmar los estados de oxidación de los elementos individuales y demostrar que los materiales eran estables.
La siguiente fase del trabajo implicó probar las propiedades magnéticas de los siete nuevos HEO. Los investigadores esperan utilizar los mismos principios termodinámicos para controlar el oxígeno para estabilizar otros tipos de materiales que actualmente son difíciles de sintetizar.
“Este artículo, al que ya se ha accedido en línea miles de veces, parece resonar entre los investigadores debido a su simplicidad”, dijo Almishal. “Aunque nos centramos en la sal gema HEO, nuestros métodos proporcionan un marco ampliamente adaptable para permitir óxidos complejos modificados químicamente prometedores y desconocidos”.
Reconocimiento de posgrado y colaboraciones en investigación.
Debido a sus importantes contribuciones al laboratorio, el coautor y estudiante universitario en ciencia e ingeniería de materiales, Matthew Furst, fue invitado a presentar los hallazgos en la reunión anual de Ciencia y Tecnología de Materiales 2025 de la Sociedad Estadounidense de Cerámica (ACerS), que se celebró del 28 de septiembre al 1 de octubre en Columbus. Esta invitación generalmente se extiende a profesores o estudiantes de posgrado de último año.
“Estoy agradecido por las oportunidades que he tenido en este proyecto y por participar en cada paso del proceso de investigación y publicación”, dijo Furst. “Poder presentar este material a una amplia audiencia como una conferencia invitada refleja mi participación y la excelente orientación que recibí de mis mentores. Desarrollar importantes habilidades de comunicación como estudiante de posgrado significó mucho para mí y espero seguir avanzando en el futuro”.
Miembros del equipo y apoyo.
Además de Almishal, Maria y Furst, el equipo de investigación de Penn State incluyó a los estudiantes graduados Joseph Petruska y Dhiya Srikanth; los estudiantes de posgrado YuJ Tan y Sai Venkata Gayatri Iyagari; y Jacob Sivak, quien recientemente obtuvo un doctorado en química con especialización en ciencia de materiales. Los colaboradores de la facultad incluyeron a Nasim Alem, profesor de ciencia e ingeniería de materiales; Susan Sinnott, profesora de ciencia e ingeniería de materiales y química; y Long-Qing Chen, Profesor Hammer de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Profesor de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica y Matemáticas.
De Virginia Tech, los coautores fueron Christina Rost, profesora asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y el estudiante de posgrado Gerald Bezger.
El Centro de Ciencias a Nanoescala de Penn State, un centro de ciencia e ingeniería de investigación de materiales financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., brindó apoyo para esta investigación.
