فهرست مطالب
پژوهشگران مواد در دانشگاه پن‌استیت با حذف اکسیژن در فرایند سنتز، هفت سرامیک فلزی جدید با آنتروپی بالا تولید کردند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این سرامیک‌هایی چندفلزی، پتانسیل بالایی در ذخیره انرژی، تجهیزات الکترونیکی و پوشش‌های حفاظتی دارند.
محققان در این مطالعه که در Nature Communications منتشر شد، علاوه بر خلق این مواد، چارچوبی مبتنی بر اصول ترمودینامیک برای طراحی نسل بعدی مواد ارائه کردند. سعید المیشال، یکی از نویسندگان اصلی توضیح داد که با کنترل محیط اکسیژن در کوره لوله‌ای، توانستند آهن و منگنز را در سرامیک تثبیت کنند، در حالی که در شرایط عادی پایدار نمی‌ماندند.
هوش مصنوعی آینده علم مواد را هموار می‌کند
المیشال ابتدا با کنترل دقیق سطح اکسیژن توانست ترکیبی شامل منگنز و آهن به نام J52، متشکل از منیزیم، کبالت، نیکل، منگنز و آهن را پایدار کند. بر اساس این موفقیت، او از ابزارهای نوین یادگیری ماشین (تکنیکی که با کمک هوش مصنوعی قادر است هزاران ترکیب احتمالی مواد را در عرض چند ثانیه بررسی کند) بهره گرفت و شش ترکیب فلزی دیگر را شناسایی کرد که قادر به تشکیل سرامیک فلزی پایدار HEO بودند. با همکاری تیمی از دانشجویان کارشناسی که نمونه‌ها را پردازش، ساخت و مشخصه‌یابی کردند، المیشال پلیت‌های سرامیکی حجیم از هفت ترکیب جدید، پایدار و بالقوه کاربردی HEO تولید کرد. این فعالیت‌ها با حمایت دپارتمان علوم و مهندسی مواد و مرکز علوم نانو مقیاس دانشگاه پن‌استیت انجام شد.
حتما بخوانید: بهبود ۷۲ درصدی خنک‌کنندگی با افزودن پودر سرامیکی به خمیر حرارتی فلز مایع
بیشتر بخوانید: ابداع فناوری چاپ سه بعدی سرامیک
اصول ترمودینامیکی، کلید حل مسئله
المیشال توضیح داد: «در یک گام، توانستیم هفت ترکیبی را که با چارچوب فعلی امکان‌پذیر بود، پایدار کنیم.» وی تصریح کرد که اگرچه در گذشته، این مسئله در حوزه HEOها پیچیده تلقی می‌شد، اما با درک دقیق اصول علم مواد و سنتز سرامیک (به‌ویژه اصول ترمودینامیک) راه حل ساده شد. برای پایدارسازی این مواد، لازم بود اتم‌های منگنز و آهن در حالت اکسیداسیون ۲+ باقی بمانند، یعنی در ساختار سنگ نمک، جایی که هر اتم تنها با دو اتم اکسیژن پیوند می‌دهد. در شرایط معمولی، مواد پایدار نمی‌ماندند، چرا که اتم‌های منگنز و آهن با اکسیژن بیشتر پیوند می‌زدند و به حالت اکسیداسیون بالاتر می‌رفتند. با کاهش میزان اکسیژن در کوره لوله‌ای، پژوهشگران مقدار اکسیژن قابل جذب توسط ماده را محدود کردند و امکان شکل‌گیری و ماندگاری ساختار پایدار سنگ نمک فراهم شد. المیشال گفت: «قاعده اصلی که در سنتز سرامیک فلزی دنبال کردیم، نقش اکسیژن در پایدارسازی چنین شرایطی است.»
برای مطالعه بیشتر: انتقال دارو از طریق پوست با ستاره های نانو سرامیکی
آینده سرامیک فلزی
برای تایید اینکه اتم‌های منگنز و آهن در هر یک از مواد جدید در حالت اکسیداسیون هدف پایدار باقی مانده‌اند، المیشال با محققان دانشگاه ویرجینیا تک همکاری کرد. آنها با استفاده از تکنیک پیشرفته تصویربرداری، میزان جذب پرتو ایکس توسط اتم‌ها را اندازه‌گیری کردند و از تحلیل داده‌ها، وضعیت اکسیداسیون عناصر و پایداری منگنز و آهن در مواد جدید تایید شد. در مرحله بعدی، پژوهشگران قصد دارند همه هفت سرامیک فلزی جدید را از نظر خاصیت مغناطیسی بررسی کنند، همچنین چارچوب ترمودینامیکی کنترل اکسیژن در سنتز را روی سایر کلاس‌های مواد که پایدار نیستند و سنتز آنها چالش‌برانگیز است، اعمال کنند.
المیشال بیان کرد: «این مقاله که تاکنون هزاران بار به‌صورت آنلاین دیده شده، به دلیل سادگی روش‌ها مورد توجه محققان قرار گرفته است. هرچند ما روی HEOهای سنگ نمک تمرکز داریم، اما روش ما چارچوبی گسترده و قابل تطبیق برای بررسی اکسیدهای پیچیده شیمیایی و نامنظم ارائه می‌دهد.»
متیو فورست، دانشجوی کارشناسی علوم و مهندسی مواد و یکی از هم‌نویسندگان مقاله به‌دلیل مشارکت گسترده خود در آزمایشگاه، دعوت شد تحقیق خود را در نشست سالانه انجمن سرامیک آمریکا در بخش علوم و فناوری مواد ۲۰۲۵ ارائه دهد؛ موقعیتی که معمولا به اعضای هیئت علمی یا دانشجویان تحصیلات تکمیلی ارشد اختصاص دارد. فورست گفت: «برای فرصت‌هایی که در این پروژه داشتم و مشارکت در هر مرحله تحقیق و انتشار مقاله، بسیار سپاسگزارم. ارائه این تحقیق به جمعی گسترده، نشان‌دهنده نقش من و راهنمایی عالی استادانم است و برای من در توسعه مهارت‌های ارتباطی اهمیت فراوانی دارد؛ مشتاق هستم در آینده بیشتر خود را به چالش بکشم.»
