Kłopot z żelazem i manganem
Tlenki o wysokiej entropii to wyjątkowe materiały ceramiczne zawierające co najmniej pięć różnych metali. Ich potencjał aplikacyjny jest imponujący: od nowoczesnych baterii po zaawansowaną elektronikę i powłoki ochronne. Problemem dotychczas była jednak ich synteza, która bardziej przypominała zgadywankę niż precyzyjny proces naukowy. Szczególne trudności sprawiały kombinacje zawierające żelazo i mangan, które uparcie nie chciały tworzyć stabilnych struktur.
Czytaj też: Struktura, która łamie prawa fizyki. Naukowcy stworzyli materiał zmieniający się w czasie
Saeed Almishal, kierujący zespołem badawczym, wyjaśnił, że sekretem sukcesu było zrozumienie kluczowej roli tlenu w całym procesie. W standardowych warunkach atmosferycznych atomy manganu i żelaza przyjmują wyższe stany utlenienia, co uniemożliwia ich stabilne włączenie do struktury ceramicznej. Rozwiązanie okazało się zadziwiająco proste. Był nim kontrolowany przepływ argonu w piecu rurowym utrzymujący niskie ciśnienie parcjalne tlenu.
Poprzez ostrożne usunięcie tlenu z atmosfery pieca rurowego podczas syntezy, ustabilizowaliśmy dwa metale, żelazo i mangan, w ceramice, które w przeciwnym razie nie ustabilizowałyby się w atmosferze otoczenia – relacjonuje Almishal
Termodynamika zamiast prób i błędów
Naukowcy opracowali model oparty na zasadach termodynamiki, który umożliwia przewidywanie, które kombinacje metali utworzą stabilne struktury. Wprowadzili koncepcję „nakładania się potencjału chemicznego tlenu”, co w praktyce oznacza precyzyjne kontrolowanie ilości tlenu w środowisku syntezy. Dzięki tej metodzie można wymusić na atomach pozostanie w pożądanym dwuwartościowym stanie utlenienia. Co ciekawe, zespół wykorzystał również uczenie maszynowe do zidentyfikowania sześciu dodatkowych kombinacji metali zdolnych do tworzenia stabilnych tlenków o wysokiej entropii. To połączenie klasycznej termodynamiki z nowoczesnymi narzędziami sztucznej inteligencji pokazuje, jak różne dziedziny nauki mogą się wzajemnie uzupełniać.
Współpraca z badaczami z Virginia Tech pozwoliła zweryfikować wyniki za pomocą zaawansowanej techniki obrazowania XAFS (drobnej struktury absorpcji promieniowania rentgenowskiego). Metoda ta umożliwiła dokładne określenie stanu utlenienia atomów manganu i żelaza w nowo powstałych materiałach.
Co dalej z nowymi materiałami?
Nowo powstałe materiały wykazują obiecujące właściwości w kontekście zastosowań w magazynowaniu energii, elektronice i powłokach ochronnych. Prawdziwy potencjał tkwi jednak w uniwersalności opracowanej metody. Badacze podkreślają, że ich model jest chemicznie i strukturalnie uniwersalny na tyle, by można go było adaptować do innych klas materiałów, nie tylko tlenków o strukturze soli kamiennej. Badanie w tej sprawie zostało opublikowane w Nature Communications.
Czytaj też: Materiał z większą liczbą konfiguracji niż atomów we wszechświecie. Przekracza granice wyobraźni naukowców
Prostota rozwiązania nie oznacza braku głębi naukowej. Badacze stworzyli solidne podstawy teoretyczne, które przekształcają odkrywanie nowych materiałów ceramicznych z empirycznych prób i błędów w przewidywalny, świadomy proces syntezy. To może otworzyć drogę do całej gamy nieznanych dotąd materiałów o funkcjonalnie obiecujących właściwościach. Mimo to, nowe materiały muszą udowodnić swoją trwałość, skalowalność produkcji i opłacalność ekonomiczną. Metoda opracowana przez zespół z Penn State stanowi jednak ważny krok w rozwoju materiałoznawstwa.