Às vezes, a falta de oxigênio é realmente importante. Ao reduzir o nível de oxigênio durante a síntese, uma equipe de cientistas de materiais da Universidade da Pensilvânia conseguiu criar sete óxidos de alta entropia, ou GEOs, até então desconhecidos. Estas cerâmicas contêm cinco ou mais metais e estão sendo exploradas para uso em armazenamento de energia, dispositivos eletrônicos e revestimentos protetores.
Ao desenvolver estes materiais, a equipe também delineou uma estrutura mais ampla para o desenvolvimento de materiais futuros. Seus resultados foram publicados em Comunicações da natureza.
“Ao remover cuidadosamente o oxigênio da atmosfera do forno tubular durante a síntese, estabilizamos dois metais, ferro e manganês, em uma cerâmica que de outra forma não seria estabilizada na atmosfera ambiente, “disse o correspondente e primeiro autor Saeed Almishal, professor pesquisador da Penn State que trabalha com o professor John Paul Maria Dorothy Pate Enright de Ciência dos Materiais.
Avanços iniciais e descoberta do aprendizado de máquina
Almishal alcançou pela primeira vez estabilidade em um material contendo manganês e ferro ajustando o nível de oxigênio em um composto que ele designou como J52. Esta amostra inclui magnésio, cobalto, níquel, manganês e ferro. Após esse sucesso inicial, ele usou recursos de aprendizado de máquina recém-desenvolvidos que podem avaliar rapidamente milhares de palavras possíveis. Usando essas ferramentas, ele identificou seis combinações adicionais de metais capazes de formar HEO.
Trabalhando ao lado de estudantes pesquisadores que ajudaram a processar, fabricar e caracterizar as amostras, Almishal produziu pellets cerâmicos sólidos representando todas as sete novas composições HEO. Esses alunos foram apoiados pelo Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e pelo Centro de Ciências em Nanoescala da Penn State, financiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA.
“Em uma única etapa, estabilizamos todas as sete composições possíveis com nossa estrutura atual”, disse Almishal. “Embora anteriormente fosse visto como um problema difícil em GEO, no final a solução foi simples. Graças a uma compreensão profunda dos fundamentos da ciência da síntese de materiais e cerâmica, e especialmente dos princípios da termodinâmica, encontramos a resposta.
Como os níveis de oxigênio moldam os materiais
Para estabilizar esta cerâmica, os átomos de manganês e ferro devem permanecer no estado de oxidação 2+, formando a chamada estrutura de sal-gema, onde cada átomo está ligado a apenas dois átomos de oxigênio. Segundo Almishal, isso não acontece em condições típicas de riqueza de oxigênio. Quando sintetizados em atmosfera normal, o manganês e o ferro continuariam a se ligar ao oxigênio e passariam para um estado de oxidação mais elevado, impedindo a formação adequada do material. A redução da quantidade de oxigênio no forno tubular limita o número de átomos de oxigênio disponíveis, permitindo a formação da estrutura desejada de sal-gema.
“A principal regra que seguimos na síntese desses materiais é o papel do oxigênio na estabilização desses materiais cerâmicos”, disse Almishal.
Confirmação da estrutura e planejamento de experimentos futuros
Para garantir que o manganês e o ferro realmente permanecessem no estado de oxidação pretendido, Almishall colaborou com pesquisadores da Virginia Tech. A equipe deles usou uma abordagem de imagem avançada que examina como os átomos absorvem os raios X. Ao estudar os dados obtidos, eles conseguiram confirmar os estados de oxidação de elementos individuais e demonstrar a estabilidade dos materiais.
A próxima fase do trabalho incluirá o teste das propriedades magnéticas de todos os sete novos HEOs. Os pesquisadores também esperam usar os mesmos princípios termodinâmicos para controlar o oxigênio e estabilizar outros tipos de materiais que atualmente são difíceis de sintetizar.
“Este artigo, que já foi referenciado online milhares de vezes, parece estar repercutindo entre os pesquisadores devido à sua simplicidade”, disse Almishal. “Embora nos concentremos no sal-gema HEO, nossos métodos fornecem uma estrutura amplamente adaptável para a criação de óxidos complexos quimicamente desordenados, promissores e inexplorados.”
Reconhecimento de estudantes e colaboração em pesquisa
Por causa de suas contribuições significativas para o laboratório, o coautor e estudante de ciência e engenharia de materiais Matthew Furst foi convidado a apresentar as descobertas na Reunião Anual de Ciência e Tecnologia de Materiais de 2025 da American Ceramic Society (ACerS), de 28 de setembro a 1º de outubro em Columbus, Ohio. Este convite geralmente é estendido a professores seniores ou estudantes de pós-graduação.
“Estou muito grato pelas oportunidades que tive neste projeto e por estar envolvido em todas as etapas do processo de pesquisa e publicação”, disse Furst. “Ser capaz de apresentar este material a um público mais amplo como palestrante convidado é uma prova do meu envolvimento e da excelente orientação que recebi dos meus mentores. É muito importante para mim desenvolver importantes habilidades de comunicação como estudante de graduação e estou ansioso para avançar ainda mais no futuro!”
Membros da equipe e suporte
Além de Almishal, Maria e Furst, a equipe de pesquisa da Penn State incluiu os alunos de graduação Joseph Petruska e Diya Srikanth; os estudantes de pós-graduação Yueze Tan e Sai Venkata Gayathri Ayyagari; e Jacob Sivak, que recentemente recebeu seu doutorado em Química em Ciência de Materiais. Os membros do corpo docente incluem Nasim Alem, professor de ciência e engenharia de materiais; Susan Sinnott, professora de ciência e engenharia de materiais e química; e Long-Qing Chen, Professor Hammer de Ciência e Engenharia de Materiais, Professor de Ciências da Engenharia e Mecânica e Matemática.
Os coautores da Virginia Tech foram Christina Rost, professora associada de ciência e engenharia de materiais, e o estudante de pós-graduação Gerald Beiger.
O Centro Estadual de Ciência em Nanoescala da Pensilvânia, um Centro de Ciência e Engenharia de Materiais financiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, forneceu apoio para esta pesquisa.
