Científicos de Penn State desarrollaron siete óxidos de alta entropía al reducir el oxígeno durante la síntesis, estabilizando metales que normalmente se desestabilizan y formando cerámicas de sal de roca
Un grupo de científicos de Penn State logró crear siete nuevos óxidos de alta entropía (HEOs) al reducir los niveles de oxígeno durante el proceso de síntesis. Este enfoque innovador permitió estabilizar metales que, de otro modo, se desestabilizarían, facilitando la formación de cerámicas de sal de roca. Los investigadores utilizaron herramientas de aprendizaje automático para identificar composiciones prometedoras y técnicas avanzadas de imagen para confirmar la estabilidad de los nuevos materiales.
Los hallazgos fueron publicados en la revista Nature Communications. El profesor de investigación y autor principal, Saeed Almishal, explicó que al eliminar cuidadosamente el oxígeno del ambiente del horno durante la síntesis, se estabilizaron metales como el hierro y el manganeso, que no habrían podido mantenerse estables en condiciones atmosféricas normales.
El primer éxito de Almishal se produjo al estabilizar un material que contenía manganeso y hierro, ajustando los niveles de oxígeno en una composición que denominó J52. Esta muestra incluía magnesio, cobalto, níquel, manganeso y hierro. Posteriormente, utilizó capacidades de aprendizaje automático recientemente desarrolladas que pueden evaluar rápidamente miles de formulaciones posibles, identificando así seis combinaciones adicionales de metales capaces de formar HEOs.
Almishal, junto a estudiantes de pregrado que colaboraron en el procesamiento, fabricación y caracterización de las muestras, produjo pellets cerámicos sólidos que representaban las siete nuevas composiciones de HEO. Los estudiantes contaron con el apoyo del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y del Centro de Ciencia Nanoscale de Penn State, un Centro de Investigación de Ciencia e Ingeniería de Materiales financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
El investigador destacó que, en un solo paso, se estabilizaron todas las siete composiciones posibles, gracias a un entendimiento cuidadoso de los fundamentos de la ciencia de síntesis de materiales y cerámicas, así como de los principios de la termodinámica. «Aunque este problema se había considerado complejo en el campo de los HEOs, la solución fue simple al final», afirmó Almishal.
Para estabilizar estas cerámicas, los átomos de manganeso y hierro deben permanecer en el estado de oxidación 2+, formando una estructura de sal de roca donde cada átomo se une solo a dos átomos de oxígeno. Almishal explicó que esto no ocurre en condiciones típicas ricas en oxígeno, ya que, si se sintetizan en una atmósfera normal, el manganeso y el hierro continuarían uniendo oxígeno y cambiarían a un estado de oxidación más alto, impidiendo que el material se forme correctamente. La reducción del oxígeno en el horno limita la cantidad de átomos de oxígeno disponibles, permitiendo que se forme la estructura deseada.
Para verificar que el manganeso y el hierro permanecieron en el estado de oxidación previsto, Almishal colaboró con investigadores de Virginia Tech. Su equipo utilizó un enfoque de imagen avanzada que examina cómo los átomos absorben rayos X. Al estudiar los datos resultantes, pudieron confirmar los estados de oxidación de los elementos individuales y demostrar que los materiales eran estables.
El siguiente paso en la investigación consistirá en probar las propiedades magnéticas de los siete nuevos HEOs. Los investigadores también esperan utilizar los mismos principios termodinámicos para controlar el oxígeno y estabilizar otros tipos de materiales que actualmente son difíciles de sintetizar. Almishal comentó que este trabajo ha resonado con otros investigadores debido a su simplicidad, y aunque se centran en los HEOs de sal de roca, sus métodos ofrecen un marco adaptable para habilitar óxidos complejos químicamente desordenados.
El coautor y estudiante de pregrado en ciencia e ingeniería de materiales, Matthew Furst, fue invitado a presentar los hallazgos en la Reunión Anual de la Sociedad Americana de Cerámica (ACerS) con Tecnología de Materiales 2025, que tuvo lugar del 28 de septiembre al 1 de octubre en Columbus, Ohio. Esta invitación suele extenderse a facultativos o estudiantes de posgrado senior.
Furst expresó su gratitud por las oportunidades que tuvo en este proyecto y por poder involucrarse en cada paso del proceso de investigación y publicación. «Presentar este material a una audiencia amplia como una charla invitada refleja mi participación y la excelente orientación que he recibido de mis mentores. Me significa mucho desarrollar habilidades de comunicación importantes como estudiante de pregrado, y espero seguir desafiándome en el futuro», comentó.
Además de Almishal, Maria y Furst, el equipo de investigación de Penn State incluyó a los estudiantes de pregrado Joseph Petruska y Dhiya Srikanth; a los estudiantes de posgrado Yueze Tan y Sai Venkata Gayathri Ayyagari; y a Jacob Sivak, quien recientemente obtuvo un doctorado en química con enfoque en ciencia de materiales. Los colaboradores académicos incluyeron a Nasim Alem, profesora de ciencia e ingeniería de materiales; Susan Sinnott, profesora de ciencia e ingeniería de materiales y de química; y Long-Qing Chen, profesor Hamer de ciencia de materiales, profesor de ciencia e ingeniería y de matemáticas.
Desde Virginia Tech, los coautores fueron Christina Rost, profesora asistente de ciencia e ingeniería de materiales, y el estudiante de posgrado Gerald Bejger. El Centro de Ciencia Nanoscale de Penn State, un Centro de Investigación de Ciencia e Ingeniería de Materiales financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., proporcionó apoyo para esta investigación.
Fuente: cadena3.com
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