Parfois, moins c’est vraiment plus. En éliminant l'oxygène pendant la synthèse, une équipe dirigée par des scientifiques des matériaux de Penn State a créé sept nouveaux oxydes à haute entropie (HEOS), une classe de céramiques composées de cinq métaux ou plus ayant un potentiel d'application dans le stockage d'énergie, l'électronique et les revêtements protecteurs.
Dans le processus de synthèse des nouveaux matériaux, les chercheurs ont créé un cadre utilisant les principes des futurs matériaux. L'équipe a publié ses travaux dans Communications naturelles.
« En éliminant soigneusement l'oxygène de l'atmosphère du four tubulaire pendant la synthèse, nous avons stabilisé deux métaux, le fer et le manganèse, dans des céramiques qui autrement ne se stabiliseraient pas dans l'atmosphère ambiante », a déclaré Saeed Almishal, professeur de recherche à Penn State et professeur de science des matériaux Dorothy Pate Enright.
Almishal a d'abord réussi à stabiliser un matériau contenant du manganèse et du fer en contrôlant l'oxygène dans une composition qu'il a nommée J52, composée de magnésium, de cobalt, de nickel, de manganèse et de fer. Ensuite, en utilisant des capacités d’apprentissage automatique nouvellement développées – un sous-type d’intelligence artificielle – qui examinent des milliers de compositions de matériaux en quelques secondes, Almishal a identifié six combinaisons supplémentaires de métaux formant des HEO.
Avec l’aide d’une équipe d’étudiants de premier cycle qui ont traité, fabriqué et caractérisé les échantillons en laboratoire, Almishal a synthétisé des pastilles de céramique en vrac des sept nouvelles compositions métalliques HEO stables et potentiellement fonctionnelles.
« En une seule étape, nous avons stabilisé les sept compositions possibles compte tenu de notre cadre actuel », a déclaré Almishal. « Bien que ce problème ait été auparavant traité comme un problème complexe dans le domaine des HEO, la solution était finalement simple. Avec une compréhension approfondie des principes fondamentaux de la science de la synthèse des matériaux et des céramiques, et en particulier des principes de la thermodynamique, nous avons trouvé la réponse. «
Stabiliser ces matériaux signifie « contraindre » les atomes de manganèse et de fer à rester dans l'état d'oxydation 2+, ou structure de sel gemme, où ils ne se lient chacun qu'à deux atomes d'oxygène, a expliqué Almishal. Si les chercheurs essayaient de synthétiser les matériaux au niveau d’oxygène d’une pièce, les matériaux ne se stabiliseraient pas car le manganèse et le fer continueraient à collecter des atomes d’oxygène et passeraient à un état d’oxydation plus élevé. L'élimination de l'oxygène de l'atmosphère dans le four tubulaire limite l'oxygène disponible pour le matériau, permettant au matériau de se stabiliser dans la structure de sel gemme souhaitée.
« La règle principale que nous avons suivie lors de la synthèse de ces matériaux est le rôle que joue l'oxygène dans la stabilisation de ces matériaux céramiques », a déclaré Almishal.
Pour s'assurer que le manganèse et le fer contenus dans chaque nouveau matériau étaient stables dans l'état d'oxydation cible, Almishal a collaboré avec des chercheurs de Virginia Tech. Ils ont utilisé une technique d’imagerie avancée pour mesurer la façon dont les rayons X sont absorbés par les atomes du matériau. En analysant les données obtenues, les chercheurs pourraient déterminer l'état d'oxydation d'éléments spécifiques et confirmer la stabilité du manganèse et du fer dans les nouveaux matériaux.
Dans la prochaine phase de recherche, les chercheurs ont déclaré qu’ils testeraient le magnétisme des sept nouveaux matériaux. Ils visent également à appliquer leur cadre thermodynamique pour contrôler l’oxygène pendant la synthèse à d’autres classes de matériaux actuellement considérées comme instables et difficiles à synthétiser.
« Cet article, qui a déjà été consulté des milliers de fois en ligne, semble trouver un écho auprès des chercheurs en raison de sa simplicité », a déclaré Almishal. « Bien que nous nous concentrions sur les HEO de sel gemme, nos méthodes fournissent un large cadre adaptable pour permettre la création d'oxydes complexes chimiquement désordonnés inexplorés et prometteurs. »
À la suite de ses nombreux travaux de laboratoire sur les nouveaux matériaux, Matthew Furst, co-auteur et étudiant de premier cycle en science et ingénierie des matériaux, a été invité à présenter ses recherches lors de la réunion annuelle de l'American Ceramic Society (ACerS) avec Materials Science and Technology 2025 – un honneur habituellement réservé aux professeurs ou aux étudiants diplômés – qui a eu lieu du 28 septembre au 1er octobre à Columbus, Ohio.
« Je suis très reconnaissant des opportunités que j'ai eues sur ce projet et d'être impliqué dans chaque étape du processus de recherche et de publication », a déclaré Furst. « Le fait de pouvoir présenter ce matériel à un large public dans le cadre d'une conférence invitée reflète mon implication et les excellents conseils que j'ai reçus de mes mentors. Cela signifie beaucoup pour moi de développer d'importantes compétences en communication en tant qu'étudiant de premier cycle, et j'ai hâte de me dépasser à l'avenir. »
