Um simples hack de oxigênio cria 7 novos materiais cerâmicos

Durante o desenvolvimento destes materiais, a equipe também delineou uma estrutura mais ampla para projetar materiais futuros. Suas descobertas foram publicadas em Comunicações da Natureza.

“Ao remover cuidadosamente o oxigênio da atmosfera do forno tubular durante a síntese, estabilizamos dois metais, ferro e manganês, na cerâmica que de outra forma não se estabilizaria na atmosfera ambiente, “disse o correspondente e primeiro autor Saeed Almishal, professor pesquisador na Penn State trabalhando com Jon-Paul Maria, professor Dorothy Pate Enright de Ciência de Materiais.

Avanços iniciais e descoberta de aprendizado de máquina

Almishal alcançou pela primeira vez estabilidade em um material contendo manganês e ferro ajustando os níveis de oxigênio em uma composição que ele designou como J52. Essa amostra incluiu magnésio, cobalto, níquel, manganês e ferro. Após esse sucesso inicial, ele usou recursos de aprendizado de máquina recém-desenvolvidos que podem avaliar rapidamente milhares de formulações possíveis. Com essas ferramentas, ele identificou seis combinações metálicas 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 HEO. Esses alunos foram apoiados pelo Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e pelo Centro de Ciência em Nanoescala da Penn State, um Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais financiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA.

“Em uma única etapa, estabilizamos todas as sete composições possíveis dada a nossa estrutura atual”, disse Almishal. “Embora isso tenha sido tratado anteriormente como um problema complexo no campo dos HEOs, a solução foi simples no final. Com uma compreensão cuidadosa dos fundamentos da ciência da síntese de materiais e cerâmica, e particularmente dos princípios da termodinâmica, encontramos a resposta.”

Como os níveis de oxigênio moldam os materiais

Para estabilizar essas cerâmicas, os átomos de manganês e ferro devem permanecer no estado de oxidação 2+, formando o que é conhecido como estrutura de sal-gema, onde cada átomo se liga a apenas dois átomos de oxigênio. Segundo Almishal, isso não acontece em condições típicas de riqueza em oxigênio. Se sintetizados em uma atmosfera normal, o manganês e o ferro continuariam a se ligar ao oxigênio e passariam para um estado de oxidação mais elevado, impedindo a formação correta do material. A redução do oxigênio no forno tubular limita o número de átomos de oxigênio disponíveis, permitindo a formação da estrutura desejada de sal-gema.

“A principal regra que seguimos na síntese desses materiais é o papel que o oxigênio desempenha na estabilização desses materiais cerâmicos”, disse Almishal.

Confirmando a estrutura e planejando experiências futuras

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 usou uma abordagem de imagem avançada que examina como os átomos absorvem os raios X. Ao estudar os dados resultantes, eles puderam confirmar os estados de oxidação de elementos individuais e demonstrar que os materiais eram estáveis.

A próxima etapa do trabalho envolverá o teste das propriedades magnéticas de todos os sete novos HEOs. Os pesquisadores também esperam usar os mesmos princípios termodinâmicos para o controle do 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 entre os pesquisadores devido à sua simplicidade”, disse Almishal. “Embora nos concentremos em HEOs de sal-gema, nossos métodos fornecem uma ampla estrutura adaptável para permitir óxidos complexos quimicamente desordenados, promissores e inexplorados.”

Reconhecimento de Graduação e Colaboração em Pesquisa

Por causa de 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 com Ciência e Tecnologia de Materiais 2025 da American Ceramic Society (ACerS), que ocorreu de 28 de setembro a 1º de outubro em Columbus, Ohio. Este convite normalmente é estendido a professores ou alunos de pós-graduação.

“Estou muito grato pelas oportunidades que tive neste projeto e por estar envolvido em todas as etapas do processo de pesquisa e publicação”, disse Furst. “Ser capaz de apresentar este 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 importantes habilidades de comunicação como estudante de graduação, e estou ansioso para me esforçar ainda mais no futuro!”

Membros da equipe e suporte

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 de materiais. Os colaboradores do corpo docente 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, professor Hamer de Ciência e Engenharia de Materiais, professor de ciências da engenharia e mecânica 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 Penn State Center for Nanoscale Science, um centro de ciência e engenharia de pesquisa de materiais financiado pela National Science Foundation dos EUA, forneceu apoio para esta pesquisa.