Às vezes, ter menos oxigênio realmente faz a diferença. Ao reduzir os níveis de oxigênio durante a síntese, um grupo de cientistas de materiais da Penn State conseguiu criar sete óxidos de alta entropia (HEOs) previamente desconhecidos. Esses cerâmicos contêm cinco ou mais metais e estão sendo explorados para usos em armazenamento de energia, dispositivos eletrônicos e revestimentos protetores.
Durante o desenvolvimento desses materiais, a equipe também delineou um quadro mais amplo para o design de materiais futuros. As descobertas foram publicadas na Nature Communications.
“Ao remover cuidadosamente o oxigênio da atmosfera do forno durante a síntese, estabilizamos dois metais, ferro e manganês, nos cerâmicos que não se estabilizariam de outra forma na atmosfera ambiente,” disse Saeed Almishal, autor correspondente e primeiro autor, professor de pesquisa na Penn State que trabalha com Jon-Paul Maria, o Professor Dorothy Pate Enright de Ciência dos Materiais.
Quebras de Paradigma e Descoberta por Aprendizado de Máquina
Almishal conseguiu primeiro a estabilidade em um material contendo manganês e ferro ajustando os níveis de oxigênio em uma composição que ele designou como J52. Essa amostra incluía magnésio, cobalto, níquel, manganês e ferro. Após esse sucesso inicial, ele utilizou novas capacidades de aprendizado de máquina que podem avaliar rapidamente milhares de formulações possíveis. Com essas ferramentas, ele identificou seis combinações de metais adicionais capazes de formar HEOs.
Trabalhando ao lado de pesquisadores de graduação que ajudaram a processar, fabricar e caracterizar amostras, Almishal produziu pellets cerâmicos sólidos representando todas as sete novas composições de HEO. Esses estudantes foram apoiados pelo Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e pelo Centro de Ciência em Nanoescala da Penn State, um Centro de Pesquisa em Ciência e Engenharia de Materiais financiado pela National Science Foundation dos EUA.
“Em um único passo, estabilizamos todas as sete composições que são possíveis dado nosso quadro atual,” disse Almishal. “Embora isso tenha sido tratado anteriormente como um problema complexo no campo das HEOs, a solução foi simples, no final das contas. Com uma compreensão cuidadosa dos fundamentos da ciência de síntese de materiais e cerâmicas, e particularmente os princípios da termodinâmica, encontramos a resposta.”
Como os Níveis de Oxigênio Modelam os Materiais
Para estabilizar esses cerâmicos, os átomos de manganês e ferro devem permanecer no estado de oxidação 2+, formando uma estrutura de sal gema, onde cada átomo se liga a apenas dois átomos de oxigênio. De acordo com Almishal, isso não ocorre em condições típicas ricas em oxigênio. Se sintetizados em uma atmosfera normal, manganês e ferro continuariam se ligando ao oxigênio e se deslocariam para um estado de oxidação mais alto, impedindo a formação correta do material. Reduzir o oxigênio no forno limite a quantidade de átomos de oxigênio disponível, permitindo a formação da estrutura de sal gema desejada.
“A principal regra que seguimos na síntese desses materiais é o papel que o oxigênio desempenha na estabilização de tais materiais cerâmicos,” disse Almishal.
Confirmando a Estrutura e Planejando Experimentos Futuros
Para verificar se o manganês e o ferro realmente permaneceram no estado de oxidação pretendido, Almishal colaborou com pesquisadores da Virginia Tech. A equipe deles utilizou uma abordagem de imagem avançada que examina como os átomos absorvem raios-X. Ao estudar os dados resultantes, puderam confirmar os estados de oxidação de elementos individuais e demonstrar que os materiais estavam estáveis.
A próxima etapa do trabalho envolverá testar as propriedades magnéticas de todos os sete novos HEOs. Os pesquisadores também esperam usar os mesmos princípios termodinâmicos de controle de oxigênio para estabilizar outros tipos de materiais que atualmente são difíceis de sintetizar.
“Este artigo, que já foi acessado online milhares de vezes, parece ressoar com os pesquisadores por sua simplicidade,” disse Almishal. “Embora nos concentremos em HEOs de sal gema, nossos métodos oferecem um amplo quadro adaptável para possibilitar óxidos complexos quimicamente desordenados inexplorados e promissores.”
Reconhecimento de Estudantes de Graduação e Colaboração em Pesquisa
Devido às suas contribuições significativas no laboratório, o coautor e estudante de graduação em ciência e engenharia de materiais Matthew Furst foi convidado a apresentar as descobertas na Reunião Anual da American Ceramic Society (ACerS) com Ciência e Tecnologia dos Materiais 2025, que ocorreu de 28 de setembro a 1 de outubro em Columbus, Ohio. Este convite é tipicamente estendido a professores ou estudantes de pós-graduação seniores.
“Estou muito grato pelas oportunidades que tive neste projeto e por estar envolvido em cada etapa do processo de pesquisa e publicação,” disse Furst. “Poder apresentar esse material a um público amplo como uma palestra convidada reflete meu envolvimento e a excelente orientação que recebi de meus mentores. Significa muito para mim desenvolver habilidades de comunicação importantes como estudante de graduação, e estou ansioso para me desafiar ainda mais no futuro!”
Membros da Equipe e Apoio
Além de Almishal, Maria e Furst, a equipe de pesquisa da Penn State incluiu os estudantes de graduação Joseph Petruska e Dhiya Srikanth; os estudantes de pós-graduação Yueze Tan e Sai Venkata Gayathri Ayyagari; e Jacob Sivak, que recentemente obteve doutorado em química com foco em ciência dos materiais. Os colaboradores da faculdade incluíram Nasim Alem, professor de ciência e engenharia de materiais; Susan Sinnott, professora de ciência e engenharia de materiais e de química; e Long-Qing Chen, o Professor Hamer de Ciência dos Materiais, professor de ciência e engenharia de engenharia e de matemática.
Da Virginia Tech, os coautores foram Christina Rost, professora assistente de ciência e engenharia de materiais, e o estudante de pós-graduação Gerald Bejger.
O Centro de Ciência em Nanoescala da Penn State, um Centro de Pesquisa em Ciência e Engenharia de Materiais financiado pela National Science Foundation dos EUA, forneceu apoio para esta pesquisa.