Nové keramické materiály vzniklé odstraněním kyslíku
Vědci z Penn State objevili sedm nových keramik tím, že jednoduše odstranili kyslík, čímž otevřeli cestu k materiálům, které byly dosud mimo dosah.
Někdy platí, že méně je skutečně více. Tým vědců specializujících se na materiály na Penn State úspěšně vytvořil sedm nových vysokomnožstevních oxidů (HEO) odstraněním kyslíku během procesu syntézy. Tato třída keramik se skládá z pěti nebo více kovů a vykazuje slibné možnosti pro využití v ukládání energie, elektronice a ochranných nátěrech.
Během svých experimentů výzkumníci také vytvořili rámec pro navrhování budoucích materiálů na základě termodynamických principů.
„Pečlivým odstraňováním kyslíku z atmosféry trubkové pece během syntézy jsme stabilizovali dva kovy, železo a mangan, v keramikách, které by se jinak ve vzdušné atmosféře stabilizovat nemohly,“ uvedl Saeed Almishal, hlavní autor a výzkumný profesor na Penn State.
Strojové učení rozšiřuje možnosti materiálů
Almishal nejprve uspěl ve stabilizaci sloučeniny obsahující mangan a železo přesným řízením úrovně kyslíku v materiálu, který nazval J52, složeném z hořčíku, kobaltu, niklu, manganu a železa. Na tomto základě využil nově vyvinuté nástroje strojového učení, což je technika umělé inteligence schopná během několika sekund prozkoumat tisíce možných kombinací materiálů, aby identifikoval dalších šest kovových kombinací schopných vytvořit stabilní HEO.
Ve spolupráci s týmem studentů, kteří zpracovávali, vyráběli a charakterizovali vzorky, Almishal vyrobil masové keramické pelety všech sedmi nových, stabilních a potenciálně funkčních HEO složení. Práce studentů byla podpořena Oddělením materiálových věd a inženýrství a Centrem pro nanovědu na Penn State.
Termodynamické principy za stabilizací
„V jednom kroku jsme stabilizovali všech sedm složení, která jsou možná dle našeho aktuálního rámce,“ řekl Almishal. „I když byl tento problém v oblasti HEO dříve považován za složitý, řešení bylo nakonec jednoduché. S pečlivým pochopením základních principů vědy o materiálech a syntéze keramiky — a zejména principů termodynamiky — jsme našli odpověď.“
Stabilizace těchto materiálů, jak vysvětlil Almishal, zahrnuje „donucení“ atomů manganu a železa, aby zůstaly ve stavu oxidace 2+, známém také jako struktura kamenné soli, kde se každý atom spojuje pouze se dvěma atomy kyslíku. Při normálních úrovních kyslíku by materiály selhaly ve stabilizaci, protože by se atomy manganu a železa spojovaly s dalším kyslíkem, což by vedlo k posunu do vyššího stavu oxidace. Snížením množství kyslíku v trubkové peci výzkumníci omezili množství kyslíku, které materiál mohl absorbovat, a umožnili mu vytvořit a zůstat ve stabilní struktuře kamenné soli.
Potvrzení výsledků a budoucí směry
Aby se ujistili, že mangan a železo v každém novém materiálu jsou stabilní ve cílovém stavu oxidace, spolupracoval Almishal s výzkumníky z Virginia Tech. Ti provedli pokročilou zobrazovací techniku, aby změřili, jak X-paprsky jsou absorbovány atomy v materiálu. Analyzováním získaných dat mohli výzkumníci určit stav oxidace konkrétních prvků a potvrdit stabilitu manganu a železa v nových materiálech.
Ve fázi dalšího výzkumu výzkumníci uvedli, že otestují všech sedm nových materiálů na jejich magnetismus. Také se plánují aplikovat svůj termodynamický rámec pro řízení kyslíku během syntézy na další třídy materiálů, které jsou v současné době považovány za nestabilní a obtížně syntetizovatelné.
Almishal poznamenal: „Tento článek, který byl již tisíckrát přístupný online, zdá se, že rezonuje s výzkumníky díky své jednoduchosti.“ I když se zaměřujeme na HEO struktury kamenné soli, naše metody poskytují široký adaptabilní rámec pro umožnění neprozkoumaných, slibných chemicky neuspořádaných komplexních oxidů.“
Díky rozsáhlé laboratorní práci na nových materiálech byl spoluautor a student oboru materiálové vědy Matthew Furst pozván, aby prezentoval výzkum na Ročním setkání Americké keramické společnosti (ACerS) v roce 2025, což je čest obvykle vyhrazena pro fakultu nebo starší studenty magisterského studia.
„Jsem velmi vděčný za příležitosti, které jsem měl na tomto projektu a za to, že jsem se podílel na každém kroku výzkumného a publikačního procesu,“ řekl Furst. „Být schopen prezentovat tento materiál širokému publiku jako pozvaný řečník odráží moji angažovanost a vynikající vedení, které jsem dostal od svých mentorů. Moc pro mě znamená rozvíjet důležité komunikační dovednosti jako student pregraduálního studia a těším se na to, jak se v budoucnu budu moci dál posunout!“
