Επιστήμονες του Penn State ανακάλυψαν επτά νέα κεραμικά απλώς αφαιρώντας το οξυγόνο—ανοίγοντας έναν δρόμο για υλικά που κάποτε ήταν εκτός εμβέλειας.
Δημιουργία νέων υλικών
Αφαιρώντας το οξυγόνο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σύνθεσης, μια ομάδα επιστημόνων υλικών στο Penn State δημιούργησε με επιτυχία επτά νέα οξείδια υψηλής εντροπίας (HEOs)—μια κατηγορία κεραμικών κατασκευασμένων από πέντε ή περισσότερα μέταλλα που παρουσιάζουν πολλά υποσχόμενη χρήση στην αποθήκευση ενέργειας, την ηλεκτρονική και τις προστατευτικές επιστρώσεις.
Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων τους, οι ερευνητές δημιούργησαν επίσης ένα πλαίσιο για τον σχεδιασμό μελλοντικών υλικών με βάση τις θερμοδυναμικές αρχές. Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications.
«Αφαιρώντας προσεκτικά το οξυγόνο από την ατμόσφαιρα του σωληνωτού κλιβάνου κατά τη διάρκεια της σύνθεσης, σταθεροποιήσαμε δύο μέταλλα, τον σίδηρο και το μαγγάνιο, στα κεραμικά που διαφορετικά δεν θα σταθεροποιούνταν στην ατμόσφαιρα περιβάλλοντος», δήλωσε ο αντίστοιχος και πρώτος συγγραφέας Saeed Almishal, ερευνητής καθηγητής στο Penn State που εργάζεται υπό τον Jon-Paul Maria, καθηγητή Επιστήμης Υλικών Dorothy Pate Enright.
Η μηχανική μάθηση διευρύνει τις δυνατότητες των υλικών
Ο Almishal πέτυχε για πρώτη φορά να σταθεροποιήσει μια ένωση που περιέχει μαγγάνιο και σίδηρο, ελέγχοντας με ακρίβεια τα επίπεδα οξυγόνου σε ένα υλικό που ονόμασε J52, το οποίο αποτελείται από μαγνήσιο, κοβάλτιο, νικέλιο, μαγγάνιο και σίδηρο. Βασιζόμενος σε αυτό, χρησιμοποίησε πρόσφατα αναπτυγμένα εργαλεία μηχανικής μάθησης - μια τεχνική τεχνητής νοημοσύνης ικανή να ελέγχει χιλιάδες πιθανούς συνδυασμούς υλικών μέσα σε δευτερόλεπτα - για να εντοπίσει έξι επιπλέον συνδυασμούς μετάλλων ικανούς να σχηματίσουν σταθερά HEO.
Με τη βοήθεια μιας ομάδας προπτυχιακών φοιτητών που επεξεργάστηκαν, κατασκεύασαν και χαρακτήρισαν τα δείγματα, η Almishal παρήγαγε κεραμικά σφαιρίδια χύδην και των επτά νέων, σταθερών και δυνητικά λειτουργικών συνθέσεων HEO. Η εργασία των φοιτητών υποστηρίχθηκε από το Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών και το Κέντρο Επιστήμης Νανοκλίμακας του Penn State, ένα Κέντρο Επιστήμης και Μηχανικής Έρευνας Υλικών που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ.
Θερμοδυναμικές αρχές πίσω από τη σταθεροποίηση
«Σε ένα μόνο βήμα, σταθεροποιήσαμε και τις επτά συνθέσεις που είναι δυνατές δεδομένου του τρέχοντος πλαισίου μας», δήλωσε ο Almishal. «Αν και αυτό προηγουμένως αντιμετωπιζόταν ως ένα πολύπλοκο πρόβλημα στον τομέα των HEO, η λύση ήταν απλή στο τέλος. Με προσεκτική κατανόηση των βασικών αρχών της επιστήμης σύνθεσης υλικών και κεραμικών - και ιδιαίτερα των αρχών της θερμοδυναμικής - βρήκαμε την απάντηση».
Η σταθεροποίηση αυτών των υλικών, εξήγησε ο Almishal, περιλαμβάνει τον «εξαναγκασμό» των ατόμων μαγγανίου και σιδήρου να παραμείνουν στην κατάσταση οξείδωσης 2+, γνωστή και ως δομή ορυκτού άλατος, όπου κάθε άτομο συνδέεται με μόνο δύο άτομα οξυγόνου. Υπό φυσιολογικά επίπεδα οξυγόνου, τα υλικά δεν θα σταθεροποιούνταν επειδή τα άτομα μαγγανίου και σιδήρου θα συνέχιζαν να συνδέονται με επιπλέον οξυγόνο, μετατοπίζοντας σε υψηλότερη κατάσταση οξείδωσης. Μειώνοντας την ποσότητα οξυγόνου στον σωληνωτό κλίβανο, οι ερευνητές περιόρισαν την ποσότητα οξυγόνου που μπορούσε να απορροφήσει το υλικό, επιτρέποντάς του να σχηματίσει και να παραμείνει στη σταθερή δομή του ορυκτού άλατος.
Επιβεβαίωση αποτελεσμάτων και μελλοντικές κατευθύνσεις
Για να βεβαιωθεί ότι το μαγγάνιο και ο σίδηρος σε κάθε νέο υλικό ήταν σταθερά στην κατάσταση οξείδωσης-στόχο, ο Almishal συνεργάστηκε με ερευνητές από το Virginia Tech. Πραγματοποίησαν μια προηγμένη τεχνική απεικόνισης για να μετρήσουν πώς απορροφώνται οι ακτίνες Χ από τα άτομα στο υλικό. Αναλύοντας τα δεδομένα που προέκυψαν, οι ερευνητές μπόρεσαν να προσδιορίσουν την κατάσταση οξείδωσης συγκεκριμένων στοιχείων και να επιβεβαιώσουν τη σταθερότητα του μαγγανίου και του σιδήρου στα νέα υλικά.
Στην επόμενη φάση της έρευνας, οι ερευνητές δήλωσαν ότι θα δοκιμάσουν και τα επτά νέα υλικά για τον μαγνητισμό τους. Στόχος τους είναι επίσης να εφαρμόσουν το θερμοδυναμικό τους πλαίσιο για τον έλεγχο του οξυγόνου κατά τη σύνθεση σε άλλες κατηγορίες υλικών που θεωρούνται επί του παρόντος ασταθείς και δύσκολο να συντεθούν.
Ως αποτέλεσμα της εκτεταμένης εργαστηριακής του εργασίας στα νέα υλικά, ο συν-συγγραφέας και προπτυχιακός φοιτητής στην επιστήμη και τη μηχανική υλικών Matthew Furst προσκλήθηκε να παρουσιάσει την έρευνα στην Ετήσια Συνάντηση της Αμερικανικής Κεραμικής Εταιρείας (ACerS) με την Επιστήμη και την Τεχνολογία Υλικών 2025 — μια τιμή που συνήθως προορίζεται για καθηγητές ή τελειόφοιτους μεταπτυχιακούς φοιτητές — η οποία πραγματοποιήθηκε από τις 28 Σεπτεμβρίου έως την 1η Οκτωβρίου στο Κολόμπους του Οχάιο.
www.worldenergynews.gr
