Открыт простой способ создания керамических материалов нового поколения
Ученые из Университета штата Пенсильвания разработали семь новых высокоэнтропийных оксидов. Эти соединения представляют собой особый вид керамических материалов, состоящих из пяти и более металлов. Они перспективны для использования в устройствах накопления энергии, электронных компонентах и защитных покрытиях будущего, пишет Phys.org.
«Мы целенаправленно регулировали содержание кислорода в атмосфере специальной печи в процессе синтеза, что позволило нам успешно стабилизировать металлы — железо и марганец — внутри керамической структуры, тогда как в обычных условиях атмосферного воздуха эта стабилизация оказалась бы невозможной», — объясняет Саид Альмишал, профессор из Университета штата Пенсильвания.
Первым успехом стала стабилизация композиции, получившей название J52. Она включает марганец, железо, магний, кобальт и никель. Эффект стабилизации был достигнут за счет строгого контроля над уровнем кислорода в процессе синтеза. Затем, применив инновационные методики машинного обучения, способные оперативно оценивать тысячи вариаций состава, Альмишал сумел выявить еще шесть удачных сочетаний металлов, соответствующих критериям высокоэнтропийных оксидов. Работа велась совместно с группой студентов, проводивших экспериментальные исследования в лабораториях. Им удалось синтезировать массивные керамические зерна всех семи новых композиций, демонстрирующих стабильность и функциональность.
Структурная стабилизация материалов подразумевает удержание атомов марганца и железа в низшей степени окисления. В таком состоянии они формируют упорядоченную структуру типа «каменная соль», где каждый атом металла взаимодействует исключительно с двумя атомами кислорода. Как объяснил Альмишал, попытка синтеза этих материалов в обычной воздушной среде привела бы к нестабилизации, поскольку свободные атомы кислорода неизбежно проникли бы внутрь структуры, повысив степень окисления марганца и железа. Именно удаление избыточного кислорода из атмосферы печи позволяет избежать нежелательного взаимодействия, гарантируя формирование правильной структуры с низкой степенью окисления.
Основное условие синтеза — минимизация влияния кислорода на процесс формирования керамических соединений. Чтобы подтвердить полученные результаты, ученые применили современный метод рентгеновской спектроскопии для анализа атомной структуры материалов. Оценка показала стабильность марганца и железа в заданных степенях окисления, что подтверждает высокую устойчивость полученных композитов.
Следующим этапом научной программы станет проверка магнитных свойств каждого из семи новосинтезированных материалов. Помимо этого, авторы планируют расширить применение разработанной модели термодинамического контроля кислорода, охватив ею другие классы материалов, считающихся ныне трудносинтезируемыми и нестабильными.
Тем временем в России создали легкий бронезащитный материал.
