Bazen daha azı gerçekten daha fazladır. Penn State’teki malzeme bilimcileri tarafından yönetilen bir ekip, sentez sırasında oksijeni uzaklaştırarak, enerji depolama, elektronik ve koruyucu kaplamalarda uygulama potansiyeli olan beş veya daha fazla metalden oluşan bir seramik sınıfı olan yedi yeni yüksek entropi oksit (HEOS) yarattı.
Yeni materyallerin sentezlenmesi sürecinde araştırmacılar, gelecekteki materyallerin ilkelerini kullanarak bir çerçeve oluşturdular. Ekip çalışmalarını şu adreste yayınladı: Doğa İletişimi.
Penn State’de Dorothy Pate Enright Malzeme Bilimi Profesörü Jon-Paul Maria’nın altında çalışan araştırma profesörü ve ilk yazar Saeed Almishal, “Sentez sırasında tüp fırının atmosferinden oksijeni dikkatli bir şekilde çıkararak, iki metali, demir ve manganezi, ortam atmosferinde başka türlü stabilize olmayacak seramikler halinde stabilize ettik” dedi.
Almishal ilk olarak magnezyum, kobalt, nikel, manganez ve demirden oluşan J52 adını verdiği bir bileşimde oksijeni kontrol ederek manganez ve demir içeren bir malzemeyi stabilize etme başarısını elde etti. Ardından, binlerce malzeme bileşimini saniyeler içinde tarayan yeni geliştirilen makine öğrenimi (yapay zekanın bir alt türü) yeteneklerini kullanan Almishal, HEO’ları oluşturan altı ek metal kombinasyonunu belirledi.
Laboratuvarda numuneleri işleyen, üreten ve karakterize eden lisans öğrencilerinden oluşan bir ekibin yardımıyla Almishal, yedi yeni, stabil ve potansiyel olarak işlevsel metal HEO bileşiminden oluşan toplu seramik peletleri sentezledi.
Almishal, “Mevcut çerçevemiz göz önüne alındığında mümkün olan yedi kompozisyonun tamamını tek bir adımda stabilize ettik” dedi. “Bu daha önce HEO alanında karmaşık bir sorun olarak ele alınsa da, sonuçta çözüm basitti. Malzeme ve seramik sentezi biliminin temellerini ve özellikle de termodinamiğin ilkelerini dikkatli bir şekilde anlayarak cevabı bulduk.”
Almishal, bu malzemeleri stabilize etmenin, manganez ve demir atomlarını, her birinin yalnızca iki oksijen atomuna bağlandığı 2+ oksidasyon durumunda veya kaya tuzu yapısında kalmaya “zorlamak” anlamına geldiğini açıkladı. Araştırmacılar malzemeleri oda seviyesindeki oksijende sentezlemeye çalışsalardı malzemeler stabilize olmayacaktı çünkü manganez ve demir oksijen atomlarını toplamaya devam edecek ve daha yüksek bir oksidasyon durumuna geçecekti. Tüp fırınında oksijenin atmosferden uzaklaştırılması, malzemeye sağlanan oksijeni sınırlayarak malzemenin istenen kaya tuzu yapısında stabilize olmasına olanak tanır.
Almishal, “Bu malzemeleri sentezlerken takip ettiğimiz ana kural, oksijenin bu tür seramik malzemeleri stabilize etmede oynadığı roldür” dedi.
Almishal, her yeni malzemedeki manganezin ve demirin hedef oksidasyon durumunda stabil olduğundan emin olmak için Virginia Tech’ten araştırmacılarla işbirliği yaptı. X ışınlarının malzemedeki atomlar tarafından nasıl emildiğini ölçmek için gelişmiş bir görüntüleme tekniği uyguladılar. Ortaya çıkan verileri analiz ederek araştırmacılar, belirli elementlerin oksidasyon durumunu belirleyebildi ve yeni malzemelerdeki manganez ve demirin stabilitesini doğrulayabildi.
Araştırmanın bir sonraki aşamasında araştırmacılar, yedi yeni malzemenin tamamını manyetizma açısından test edeceklerini söyledi. Ayrıca sentez sırasında oksijeni kontrol etmeye yönelik termodinamik çerçevelerini, şu anda kararsız ve sentezlenmesi zor olduğu düşünülen diğer malzeme sınıflarına uygulamayı da hedefliyorlar.
Almishal, “Çevrimiçi olarak binlerce kez erişilen bu makale, basitliği nedeniyle araştırmacıların ilgisini çekiyor gibi görünüyor.” dedi. “Kaya tuzu HEO’larına odaklansak da, yöntemlerimiz keşfedilmemiş, umut verici kimyasal olarak düzensiz kompleks oksitleri mümkün kılmak için geniş, uyarlanabilir bir çerçeve sağlıyor.”
Yeni malzemelerle ilgili kapsamlı laboratuvar çalışmasının bir sonucu olarak, ortak yazar ve lisans öğrencisi malzeme bilimi ve mühendisliği bölümü öğrencisi Matthew Furst, araştırmasını 28 Eylül – 1 Ekim tarihleri arasında Columbus, Ohio’da gerçekleşen Amerikan Seramik Derneği’nin (ACerS) Malzeme Bilimi ve Teknolojisi 2025 Yıllık Toplantısı’nda sunmak üzere davet edildi. Bu, genellikle fakülte veya son sınıf lisansüstü öğrencilerine ayrılan bir onurdur.
Furst, “Bu projede sahip olduğum fırsatlardan ve araştırma ve yayın sürecinin her adımına dahil olduğum için çok minnettarım” dedi. “Bu materyali davetli bir konuşma olarak geniş bir izleyici kitlesine sunabilmek, katılımımı ve akıl hocalarımdan aldığım mükemmel rehberliği yansıtıyor. Bir lisans öğrencisi olarak önemli iletişim becerilerini geliştirmek benim için çok şey ifade ediyor ve gelecekte kendimi daha da ileriye taşımak için sabırsızlanıyorum.”
