Учёные создали семь новых керамических материалов, контролируя уровень кислорода

Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали семь ранее неизвестных высокоэнтропийных оксидных керамических материалов (HEO), используя простой метод контроля уровня кислорода во время синтеза. Эти материалы, содержащие пять и более металлов, перспективны для применения в устройствах хранения энергии, электронике и защитных покрытиях.

Три из семи новых керамических гранул. Фото: David Kubarek/Penn State

Ключом к успеху стало снижение содержания кислорода в атмосфере печи. Это позволило стабилизировать атомы железа и марганца в нужном окислительном состоянии (2+), что необходимо для формирования правильной кристаллической структуры типа «каменной соли». В обычных условиях эти металлы связываются с большим количеством кислорода, что мешает образованию стабильного материала.

«Аккуратно удаляя кислород из атмосферы трубчатой печи во время синтеза, мы стабилизировали в керамике два металла, железо и марганец, которые в обычной атмосфере не стабилизируются», — пояснил ведущий автор исследования Саид Альмишал.

После первого успеха с составом J52 (магний, кобальт, никель, марганец, железо) учёные с помощью машинного обучения проанализировали тысячи возможных комбинаций и идентифицировали ещё шесть стабильных составов. Все семь новых материалов были синтезированы в виде твёрдых керамических гранул.

Структура и стабильность материалов были подтверждены с помощью передовых методов рентгеновской спектроскопии в сотрудничестве с исследователями из Технологического института Вирджинии.

Следующим этапом работы станет изучение магнитных свойств всех новых материалов. Разработанный принцип контроля кислорода на основе термодинамики открывает путь для стабилизации и других сложных оксидов, которые ранее было трудно синтезировать.

Значительный вклад в работу внесли студенты-бакалавры. Соавтор исследования Мэтью Фёрст был приглашён представить результаты на ежегодной встрече Американского керамического общества в 2025 году — честь, которую обычно оказывают преподавателям или аспирантам.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, уже привлекло внимание научного сообщества своей простотой и воспроизводимостью подхода.