Okazuje się, że pozornie banalna modyfikacja pozwoliła na wytworzenie siedmiu zupełnie nowych materiałów ceramicznych, które dotychczas uważano nie tylko za niestabilne, ale także praktycznie niemożliwe do uzyskania. To chyba najlepszy dowód na to, jak wiele jeszcze nie wiemy o podstawowych procesach zachodzących podczas syntezy materiałów. Więcej, wychodzi na to, że naprawdę prostymi środkami można czasem osiągnąć zaskakujące rezultaty.
Jak usunięcie tlenu stworzyło nowe możliwości?
Kluczem do sukcesu okazały się tak zwane tlenki o wysokiej entropii, czyli materiały ceramiczne składające się z pięciu lub więcej różnych metali. Choć nazwa brzmi skomplikowanie, sama koncepcja jest stosunkowo prosta – chodzi w niej o połączenie wielu metali w jednej strukturze krystalicznej, co pozwala uzyskać właściwości niedostępne w tradycyjnych materiałach. Problem zawsze polegał na tym, że nie wszystkie kombinacje metali chciały ze sobą współpracować.
Przełomu dokonał Saeed Almishal z Penn State, któremu jako pierwszemu udało się ustabilizować związek zawierający mangan i żelazo. W normalnych warunkach te dwa metale nie tworzą stabilnej struktury, ponieważ ich atomy mają tendencję do wiązania się z nadmierną ilością tlenu. Rozwiązanie było zaskakująco proste – zmniejszenie ilości tlenu w piecu podczas syntezy zmusiło atomy manganu i żelaza do pozostania w stanie utlenienia 2+ i stworzenia stabilnej struktury krystalicznej.
Uczenie maszynowe przyspiesza odkrycia
Po udanym eksperymencie badacze postanowili sprawdzić, ile innych kombinacji metali może działać według tej samej zasady. Zamiast żmudnego testowania setek możliwości metodą prób i błędów, badacze postanowili wykorzystać narzędzia uczenia maszynowego. Algorytmy sztucznej inteligencji przeanalizowały tysiące potencjalnych kombinacji w ciągu zaledwie kilku sekund, identyfikując sześć dodatkowych zestawów metali zdolnych do tworzenia stabilnych tlenków o wysokiej entropii.
Wszystkie siedem przewidywanych materiałów zostało następnie wytworzonych w warunkach laboratoryjnych i każdy z nich okazał się stabilny, co potwierdziło skuteczność opracowanej struktury termodynamicznej. Aby upewnić się co do struktury nowych materiałów, we współpracy z badaczami z Virginia Tech naukowcy wykorzystali zaawansowaną technikę obrazowania rentgenowskiego do pomiaru absorpcji promieniowania przez atomy. Wyniki jednoznacznie potwierdziły, że wszystkie siedem materiałów ma pożądaną strukturę krystaliczną.
Co dalej z nowymi materiałami?
Wyniki badań opublikowane we wrześniu 2025 roku w periodyku Nature Communications już wzbudziły spore zainteresowanie społeczności naukowej. Prostota metody opracowanej przez Penn State sprawia, że może być ona łatwo adoptowana przez laboratoria na całym świecie.
Naukowcy planują teraz przetestować właściwości magnetyczne wszystkich siedmiu nowych materiałów. Ponieważ mangan i żelazo są metalami magnetycznymi, ceramiki zawierające te pierwiastki mogą wykazywać interesujące właściwości magnetyczne, co z kolei może znaleźć zastosowanie w elektronice, czujnikach czy urządzeniach do magazynowania danych.
Opracowana przez naukowców struktura termodynamiczna ma jednak znacznie szersze zastosowanie niż tylko tworzenie tlenków o wysokiej entropii. Badacze zamierzają wykorzystać ją do syntezy innych klas materiałów, które obecnie uważa się za niestabilne i trudne do wytworzenia. Kontrola poziomu tlenu podczas syntezy może okazać się kluczem do odblokowania całkiem nowych rodzajów materiałów ceramicznych.
Perspektywy rozwoju
Odkrycie siedmiu nowych tlenków o wysokiej entropii to zaledwie wstęp do dalszych badań. Opracowana struktura termodynamiczna i metoda kontroli tlenu podczas syntezy mogą otworzyć drogę do setek, a może nawet tysięcy nowych materiałów. W świecie, gdzie postęp technologiczny często zależy od dostępności materiałów o odpowiednich właściwościach, takie narzędzia są nie do przecenienia.
Choć na praktyczne zastosowania nowych materiałów przyjdzie nam jeszcze poczekać, sama metoda wydaje się niezwykle obiecująca. Jej prostota tylko podkreśla, jak wiele jeszcze nie wiemy o podstawowych zasadach rządzących syntezą materiałów. Być może właśnie takie podejście – zamiast dodawać kolejne warstwy komplikacji, upraszczać procesy – okaże się kluczem do kolejnych przełomów w materiałoznawstwie.