Vědci z Penn State objevili sedm nových keramických materiálů pouhým odstraněním kyslíku, čímž otevřeli cestu k materiálům, které byly dříve nedostupné.
Výzkumný tým se zaměřil na syntézu takzvaných keramických vysokorozměrových oxidů (HEOs), které se skládají z pěti nebo více kovů a slibují použití v oblastech, jako jsou skladování energie, elektronika a ochranné povlaky.
Během experimentů vědci vytvořili rámec pro návrh budoucích materiálů na základě termodynamických principů. Výsledky jejich výzkumu byly publikovány v časopise Nature Communications.
„Pečlivým odstraněním kyslíku z atmosféry trubkového pece během syntézy jsme stabilizovali dva kovy, železo a mangan, v keramikách, které by se jinak v běžné atmosféře stabilizovaly méně,“ uvedl Saeed Almishal, hlavní autor a výzkumný profesor na Penn State, pracující pod vedením Jon-Paula Marie, profesorem materiálových věd.
Strojové učení rozšiřuje možnosti materiálů
Almishal poprvé stabilizoval sloučeninu obsahující mangan a železo precizním řízením úrovní kyslíku v materiálu, který nazval J52. Tento materiál se skládá z hořčíku, kobaltu, niklu, manganu a železa. Na tento úspěch navázal díky nově vyvinutým technologiím strojového učení, což je technika umělé inteligence schopná během okamžiku prozkoumat tisíce možných kombinací materiálů a identifikovat šest dalších kovových kombinací schopných vytvářet stabilní HEOs.
Za pomoci týmu studujících, kteří zpracovávali, vyráběli a charakterizovali vzorky, Almishal vyrobil objemové keramické pelety všech sedmi nových, stabilních a potenciálně funkčních HEO kompozic. Práce studentů byla podpořena Oddělením materiálových věd a inženýrství a Centrem pro nanovědy Penn State, které je financováno vedením Národní vědecké nadace USA.
Termodynamické principy za stabilizací
„V jediném kroku jsme stabilizovali všech sedm kompozic, které jsou možné podle našeho současného rámce,“ řekl Almishal. „I když byl tento problém dříve považován za složitý v oblasti HEOs, jeho řešení bylo nakonec jednoduché. Pečlivé poznání zásad materiálových a keramických vědeckých metod, zejména principů termodynamiky, nám ukázalo směr.“
Stabilizace těchto materiálů, vysvětlil Almishal, spočívá v „donucení“ atomů manganu a železa zůstat ve stavu oxidace 2+, také známém jako rock salt struktura, kde každý atom se váže pouze na dva kyslíkové atomy. Při normálních úrovních kyslíku by materiály neuspěly v stabilizaci, protože by atomy manganu a železa neustále přitahovaly další kyslík, což by vedlo k vyššímu stavu oxidace. Snížením množství kyslíku v trubkovém peci vědci omezili, kolik kyslíku materiál mohl absorbovat, což umožnilo vznik a udržení stabilní rock salt struktury.
„Hlavní pravidlo, kterým jsme se řídili při syntéze těchto materiálů, je role, kterou kyslík hraje ve stabilizaci takových keramických materiálů,“ dodal Almishal.
Potvrzení výsledků a budoucí směry
Aby se ujistil, že mangan a železo v každém novém materiálu jsou stabilní v cílovém stavu oxidace, Almishal spolupracoval s výzkumníky z Virginia Tech. Ti provedli pokročilé zobrazovací techniky, aby změřili, jak atomy v materiálu absorbují rentgenové paprsky. Analýzou získaných dat mohli výzkumníci určit stav oxidace specifických prvků a potvrdit stabilitu manganu a železa v nových materiálech.
Ve následné fázi výzkumu uvedli, že budou testovat všech sedm nových materiálů na jejich magnetismus. Také usilují o aplikaci svého termodynamického rámce pro řízení kyslíku během syntézy na jiné třídy materiálů, které jsou v současnosti považovány za nestabilní a obtížně syntetizovatelné.
„Tento článek, který byl již tisíckrát stažen online, se zdá, že rezonuje s výzkumníky díky své jednoduchosti,“ řekl Almishal. „I když se zaměřujeme na rock salt HEOs, naše metody poskytují široký adaptabilní rámec pro umožnění objevování slibných chemicky neuspořádaných komplexních oxidů.“
Jako výsledek rozsáhlé práce v laboratoři na nových materiálech byl spoluautor a student oboru materiálového inženýrství Matthew Furst pozván k prezentaci výzkumu na výročním setkání Americké keramické společnosti (ACerS) se zaměřením na materiálové vědy a technologie 2025. Tato pocta je obvykle vyhrazena pro fakultní nebo pokročilé studenty. Setkání proběhlo od 28. září do 1. října v Columbusu, Ohio.
„Jsem velmi vděčný za příležitosti, které jsem měl v tomto projektu, a za to, že jsem se podílel na každém kroku výzkumu a procesu publikace,“ řekl Furst. „Možnost prezentovat tento materiál širokému publiku jako pozvaný přednášející odráží moji aktivní účast a vynikající vedení, které jsem dostal od svých mentorů. Je pro mě důležité rozvíjet důležité komunikační dovednosti jako student bakalářského studia a těším se na další výzvy v budoucnu!“
Reference: „Syntéza vysokorozměrových oxidů inspirována termodynamikou“ od Saeed S. I. Almishal, Matthew Furst, Yueze Tan, Jacob T. Sivak, Gerald Bejger, Joseph Petruska, Sai Venkata Gayathri Ayyagari, Dhiya Srikanth, Nasim Alem, Christina M. Rost, Susan B. Sinnott, Long-Qing Chen a Jon-Paul Maria, 2. září 2025, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-025-63567-z
Financování: Výzkum byl podpořen Centrem pro nanovědy Penn State, které je financováno Národní vědeckou nadací USA.
