Às vezes, ter menos oxigênio realmente faz diferença. Ao reduzir os níveis de oxigênio durante a síntese, um grupo de cientistas de materiais da Penn State conseguiu criar sete óxidos de alta entropia, ou HEOs, até então desconhecidos. Estas cerâmicas contêm cinco ou mais metais e estão sendo exploradas para uso em armazenamento de energia, dispositivos eletrônicos e revestimentos protetores.
Ao desenvolver esses materiais, a equipe também delineou uma estrutura ampla para projetar materiais futuros. Suas descobertas foram publicadas Comunicação da natureza.
“Ao remover cuidadosamente o oxigênio da atmosfera no forno tubular durante a síntese, estabilizamos dois metais, ferro e manganês, na cerâmica que de outra forma não seriam estabilizados na atmosfera ambiente”, disse o correspondente e primeiro autor Saeed Almishal, professor pesquisador da Penn State, trabalhando com Jon-Pross Dorite. ciência
Avanços iniciais e a descoberta do aprendizado de máquina
Almishal alcançou estabilidade pela primeira vez em um material contendo manganês e ferro que ajustou os níveis de oxigênio em uma composição que ele designou J52. Essa amostra incluiu magnésio, cobalto, níquel, manganês e ferro. Após esse sucesso inicial, ele usou recursos de aprendizado de máquina recém-desenvolvidos que puderam avaliar rapidamente milhares de formulações potenciais. Com essas ferramentas, ele identificou seis compostos metálicos adicionais capazes de formar HEO.
Trabalhando com pesquisadores de graduação que ajudaram a processar, fabricar e caracterizar as amostras, Almishal produziu pastilhas cerâmicas sólidas representando todas as sete novas composições HEO. Esses alunos foram apoiados pelo Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e pelo Centro de Ciência em Nanoescala da Penn State, um Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais financiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA.
“Em uma única etapa, estabilizamos sete composições possíveis com base em nossa estrutura atual”, disse Almishal. “Embora este tenha sido anteriormente considerado um problema complexo no HEO, a solução foi, em última análise, simples. Com uma compreensão cuidadosa dos fundamentos da ciência dos materiais e da síntese cerâmica, e especialmente dos princípios da termodinâmica, encontramos a resposta.”
Como a camada de oxigênio molda o material?
Para estabilizar essas cerâmicas, os átomos de manganês e ferro devem estar no estado de oxidação 2+, conhecido como estrutura de sal-gema, onde cada átomo se liga a apenas dois átomos de oxigênio. Segundo Almishal, isso não ocorre em condições normais ricas em oxigênio. Se sintetizados em uma atmosfera normal, o manganês e o ferro continuarão a se ligar ao oxigênio e passarão para um estado de oxidação mais elevado, impedindo a formação adequada do material. A redução do oxigênio no forno tubular limita o número de átomos de oxigênio disponíveis, levando à formação do sal-gema desejado.
“A principal regra que seguimos na síntese desses materiais é que o oxigênio desempenha um papel na estabilização desses tipos de materiais cerâmicos”, disse Almishal.
Validando estruturas e planejando experimentos futuros
Para verificar se o manganês e o ferro realmente permaneceram no estado de oxidação pretendido, Almishal colaborou com pesquisadores da Virginia Tech. A equipe deles usou um método de imagem avançado que examina como os átomos absorvem os raios X. Ao estudar os dados resultantes, eles puderam confirmar os estados de oxidação dos elementos individuais e demonstrar que os materiais eram estáveis.
A próxima fase do trabalho envolveu testar as propriedades magnéticas dos sete novos HEOs. Os pesquisadores esperam usar os mesmos princípios termodinâmicos para controlar o oxigênio e estabilizar outros tipos de materiais que atualmente são difíceis de sintetizar.
“Este artigo, que já foi acessado online milhares de vezes, parece ressoar entre os pesquisadores devido à sua simplicidade”, disse Almishal. “Embora nos concentremos no sal-gema HEO, nossos métodos fornecem uma estrutura amplamente adaptável para permitir óxidos complexos quimicamente modificados desconhecidos e promissores.”
Reconhecimento de pós-graduação e colaborações de pesquisa
Por causa de suas contribuições significativas para o laboratório, o coautor e estudante de graduação em ciência e engenharia de materiais, Matthew Furst, foi convidado a apresentar as descobertas na reunião anual de Ciência e Tecnologia de Materiais de 2025 da American Ceramic Society (ACerS), que foi realizada de 28 de setembro a 1º de outubro em Columbus. Este convite geralmente é estendido a professores ou alunos de pós-graduação.
“Sou grato pelas oportunidades que tive neste projeto e por estar envolvido em todas as etapas do processo de pesquisa e publicação”, disse Furst. “Ser capaz de apresentar este material a um público amplo como uma palestra convidada reflete meu envolvimento e a excelente orientação que recebi de meus mentores. Desenvolver importantes habilidades de comunicação como estudante de pós-graduação significou muito para mim, e estou ansioso para me aprimorar no futuro!”
Membros da equipe e suporte
Além de Almishal, Maria e Furst, a equipe de pesquisa da Penn State incluiu os estudantes de pós-graduação Joseph Petruska e Dhiya Srikanth; os estudantes de pós-graduação YuJ Tan e Sai Venkata Gayatri Iyagari; e Jacob Sivak, que recentemente obteve doutorado em química com foco em ciência de materiais. Os colaboradores do corpo docente incluíram Nasim Alem, professor de ciência e engenharia de materiais; Susan Sinnott, professora de ciência e engenharia de materiais e química; e Long-Qing Chen, Professor Hammer de Ciência e Engenharia de Materiais, Professor de Ciências da Engenharia e Mecânica e Matemática.
Da Virginia Tech, os coautores foram Christina Rost, professora assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e o estudante de pós-graduação Gerald Bezger.
O Penn State Center for Nanoscale Science, um centro de ciência e engenharia de pesquisa de materiais financiado pela National Science Foundation dos EUA, forneceu apoio para esta pesquisa.
