Penn State wetenschappers hebben zeven nieuwe keramische materialen ontdekt door simpelweg zuurstof te verwijderen, wat een pad opent naar materialen die voorheen onbereikbaar leken.
Soms is minder echt meer. Door zuurstof te verwijderen tijdens het syntheseproces, heeft een team van materiaalkundigen aan Penn State met succes zeven nieuwe hoge-enthalpie oxiden (HEO’s) gecreëerd—een klasse van keramiek gemaakt van vijf of meer metalen die veelbelovend zijn voor gebruik in energieopslag, elektronica en beschermende coatings.
Tijdens hun experimenten hebben de onderzoekers ook een kader vastgesteld voor het ontwerpen van toekomstig keramisch materiaal op basis van thermodynamische principes.
“Door zorgvuldig zuurstof uit de atmosfeer van de buisoven te verwijderen tijdens de synthese, stabiliseerden we twee metalen, ijzer en mangaan, in de keramiek die anders niet zou stabiliseren in de normale atmosfeer,” zei Saeed Almishal, de corresponderende en eerste auteur van het onderzoek, die werkzaam is onder Jon-Paul Maria, hoogleraar materiaalkunde.
Machine Learning Breidt Materiaal Mogelijkheden Uit
Almishal slaagde er eerst in om een mangaan- en ijzerhoudend compound te stabiliseren door de zuurstofniveaus precies te controleren in een materiaal dat hij J52 noemde, samengesteld uit magnesium, kobalt, nikkel, mangaan en ijzer. Hierop voortbouwend gebruikte hij nieuw ontwikkelde machine learning-tools—een kunstmatige intelligentietechniek die in staat is om duizenden mogelijke materiaalsamenstellingen binnen enkele seconden te screenen—om zes extra metaalcombinaties te identificeren die in staat zijn tot het vormen van stabiele HEO’s.
Met de hulp van een team van undergraduate studenten die de monsters verwerkten, fabriceerden en karakteriseerden, produceerde Almishal bulk keramische pelletes van alle zeven nieuwe, stabiele en potentieel functionele HEO-samenstellingen.
Thermodynamische Principes Achter Stabilisatie
“In één enkele stap stabiliseerden we alle zeven samenstellingen die mogelijk zijn gegeven ons huidige kader,” zei Almishal. “Hoewel dit eerder als een complex probleem in het veld van HEO’s werd beschouwd, was de oplossing simpel. Met een zorgvuldige begrip van de fundamenten van materiaalkunde en keramische synthese — en met name de principes van thermodynamica — hebben we het antwoord gevonden.”
Het stabiliseren van deze materialen houdt in dat de mangaan- en ijzeratomen in de 2+ oxidatietoestand worden gehouden, ook wel de zoutstructuur genoemd, waarbij elk atoom met slechts twee zuurstofatomen bindt. Onder normale zuurstofniveaus zouden de materialen niet stabiliseren omdat de mangaan- en ijzeratomen zich aan extra zuurstof zouden binden, wat zou leiden tot een hogere oxidatietoestand. Door de hoeveelheid zuurstof in de buisoven te verminderen, beperkten de onderzoekers hoeveel zuurstof het materiaal kon opnemen, waardoor het in de stabiele zoutstructuur kon worden gevormd en blijven bestaan.
Bevestigen van Resultaten en Toekomstige Richtingen
Om te zorgen dat mangaan en ijzer in elk nieuw materiaal stabiel waren in de beoogde oxidatietoestand, werkte Almishal samen met onderzoekers van Virginia Tech. Zij voerden een geavanceerde beeldvormingstechniek uit om te meten hoe röntgenstralen door de atomen in het materiaal worden geabsorbeerd. Door de resulterende gegevens te analyseren, konden onderzoekers de oxidatietoestand van specifieke elementen bepalen en de stabiliteit van mangaan en ijzer in de nieuwe materialen bevestigen.
In de volgende fase van het onderzoek zeiden de onderzoekers dat ze alle zeven nieuwe materialen zullen testen op hun magnetisme. Ze zijn ook van plan hun thermodynamische kader voor het beheersen van zuurstof tijdens de synthese toe te passen op andere materiaalklassen die momenteel als instabiel en moeilijk te synthetiseren worden beschouwd.
“Dit artikel, dat al duizenden keren online is geraadpleegd, lijkt te resoneren bij onderzoekers vanwege de eenvoudigheid,” zei Almishal. “Hoewel we ons richten op zoutstructuur HEO’s, bieden onze methoden een breed aanpasbaar kader voor het mogelijk maken van onontgonnen, veelbelovende chemisch gedisordeerde complexe oxiden.”
Als gevolg van zijn uitgebreide laboratoriumwerk aan de nieuwe materialen, werd mede-auteur en undergraduate student in materiaalkunde Matthew Furst uitgenodigd om het onderzoek voor te stellen op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Ceramic Society — een eer die doorgaans voorbehouden is aan faculteitsleden of oudere afgestudeerden.
“Ik ben zo dankbaar voor de kansen die ik heb gehad bij dit project en om bij elke stap van het onderzoek en het publicatieproces betrokken te zijn geweest,” zei Furst. “In staat zijn om dit materiaal aan een breed publiek te presenteren als een uitgenodigde spreker betekent veel voor mij en mijn ontwikkeling van belangrijke communicatieve vaardigheden als undergraduate.”
