Ученые из Университета штата Пенсильвания успешно синтезировали семь ранее неизвестных высокоэнтропийных оксидов (ВЭО) – керамических материалов, содержащих пять или более металлов. Ключом к этому прорыву стало точное снижение уровня кислорода в процессе синтеза. Эти новые материалы открывают перспективы для использования в системах накопления энергии, электронных устройствах и защитных покрытиях.
Разработка этих инновационных материалов также привела к созданию более широкой концепции для проектирования будущих соединений. Результаты исследования были опубликованы в престижном журнале Nature Communications, демонстрируя значимость подхода, который оказался удивительно простым, хотя ранее считался сложным.
«Тщательно удаляя кислород из атмосферы трубчатой печи во время синтеза, мы стабилизировали два металла – железо и марганец – в керамике, которые иначе не стабилизировались бы в обычных условиях», – объясняет Саид Алмишал, ведущий и первый автор исследования, научный сотрудник Penn State, работающий под руководством профессора материаловедения Джона-Пола Мариа.
Начальный успех Алмишала был достигнут с образцом, обозначенным как J52, который включал магний, кобальт, никель, марганец и железо. После этого прорывного открытия команда использовала передовые возможности машинного обучения. Эти инструменты позволили быстро оценить тысячи возможных формул и выявить еще шесть комбинаций металлов, способных образовывать ВЭО.
Вместе со студентами-исследователями, которые помогали в обработке, изготовлении и характеризации образцов, Алмишал получил твердые керамические гранулы, представляющие все семь новых композиций ВЭО. Эти студенты получили поддержку от Департамента материаловедения и инженерии и Центра наноразмерных наук Penn State, который финансируется Национальным научным фондом США.
«Одним шагом мы стабилизировали все семь композиций, которые возможны в рамках нашей нынешней концепции», – отметил Алмишал. – «Хотя ранее это рассматривалось как сложная проблема в области ВЭО, решение в конечном итоге оказалось простым. С тщательным пониманием основ материаловедения и науки о синтезе керамики, в частности принципов термодинамики, мы нашли ответ».
Чтобы стабилизировать эти керамические материалы, атомы марганца и железа должны оставаться в степени окисления 2+, образуя так называемую структуру каменной соли, где каждый атом связывается только с двумя атомами кислорода. Как поясняет Алмишал, это невозможно при типичных условиях, богатых кислородом. Если синтез происходит в обычной атмосфере, марганец и железо продолжали бы связываться с кислородом и переходить в более высокие степени окисления, что препятствовало бы правильному формированию материала. Уменьшение количества кислорода в трубчатой печи ограничивает доступность атомов кислорода, позволяя сформироваться желаемой структуре каменной соли. «Главное правило, которому мы следовали при синтезе этих материалов, – это роль кислорода в стабилизации таких керамических материалов», – подчеркнул Алмишал.
Для подтверждения того, что марганец и железо действительно оставались в предполагаемой степени окисления, Алмишал сотрудничал с исследователями из Virginia Tech. Их команда использовала передовой метод визуализации, который анализирует поглощение атомами рентгеновских лучей. Изучая полученные данные, они смогли подтвердить степени окисления отдельных элементов и продемонстрировать стабильность материалов.
Следующий этап работы будет включать тестирование магнитных свойств всех семи новых ВЭО. Исследователи также надеются применить те же термодинамические принципы контроля кислорода для стабилизации других типов материалов, которые в настоящее время трудно синтезировать. «Эта статья, к которой уже обращались тысячи раз онлайн, кажется, находит отклик у исследователей из-за ее простоты», – заявил Алмишал. – «Хотя мы фокусируемся на ВЭО со структурой каменной соли, наши методы предоставляют широкую адаптируемую основу для разработки неизведанных, многообещающих химически неупорядоченных сложных оксидов».
Значительный вклад в лабораторную работу внес соавтор и студент-бакалавр материаловедения и инженерии Мэтью Фурст. Он был приглашен представить результаты на ежегодной встрече Американского керамического общества (ACerS) и конференции Materials Science and Technology 2025, что является редкой честью для студента. «Я так благодарен за возможности, которые у меня были в этом проекте, и за участие на каждом этапе процесса исследования и публикации», – поделился Фурст. – «Возможность представить этот материал широкой аудитории в качестве приглашенного докладчика отражает мое участие и отличное руководство, которое я получил от своих наставников».
Помимо Алмишала, Мариа и Фурста, в исследовательскую группу Penn State входили студенты Джозеф Петруска и Дхия Шрикант; аспиранты Юэцзе Тан и Сай Венката Гаятри Айягари; а также Джейкоб Сивак, недавно получивший докторскую степень по химии с акцентом на материаловедение. В число преподавателей-сотрудников вошли Насим Алем, профессор материаловедения и инженерии; Сьюзен Синнотт, профессор материаловедения и инженерии и химии; и Лонг-Цин Чен, профессор материаловедения и инженерии, профессор инженерной механики и математики. Соавторами из Virginia Tech были Кристина Рост, доцент материаловедения и инженерии, и аспирант Джеральд Бейджер. Исследование было поддержано Центром наноразмерных наук Penn State, финансируемым Национальным научным фондом США.
