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科學(xué)家通過去除氧原子創(chuàng)造出7種卓越的新型陶瓷材料

文章來源：全球新材料網(wǎng) 更新時間：2025-12-05 11:33:02

一個研究團(tuán)隊在管式爐中精確降低合成過程中的氧含量，使鐵和錳得以在原本難以穩(wěn)定的條件下，以2價狀態(tài)進(jìn)入高熵氧化物晶格中，從而得到七種此前無法獲得的陶瓷組合物。這些高熵氧化物由五種或以上金屬元素構(gòu)成，在儲能器件、電子元件和防護(hù)涂層等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

研究負(fù)責(zé)人Saeed Almishal首先在一套包含鎂、鈷、鎳、錳和鐵的材料體系（代號J52）中驗證了減氧策略的可行性，成功穩(wěn)定了含錳和含鐵的高熵氧化物結(jié)構(gòu)。隨后，他借助新開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)篩選工具，在極短時間內(nèi)從大量元素組合中篩出另外六種有望形成穩(wěn)定高熵氧化物的金屬配比方案。

在一支由多名材料科學(xué)與工程本科生組成的團(tuán)隊協(xié)助下，研究人員完成了全部七種新材料的塊體陶瓷制備，包括粉體處理、壓制成型和后續(xù)表征工作。學(xué)生的研究助理崗位由材料科學(xué)與工程系以及獲美國國家科學(xué)基金會資助的賓州州立大學(xué)納米科學(xué)中心提供支持。

這項工作的關(guān)鍵在于利用熱力學(xué)原理“馴服”錳和鐵的價態(tài)，使其維持在僅與兩個氧原子配位的2價狀態(tài)，對應(yīng)巖鹽型晶體結(jié)構(gòu)。在常規(guī)氧分壓條件下，錳和鐵傾向于繼續(xù)與氧結(jié)合、發(fā)生價態(tài)提升，從而破壞目標(biāo)相；通過降低爐內(nèi)氧含量，研究人員人為限制了氧的參與，使材料能夠形成并保持在穩(wěn)定的巖鹽結(jié)構(gòu)。

為確認(rèn)新材料中錳和鐵處于預(yù)期氧化態(tài)，團(tuán)隊與弗吉尼亞理工大學(xué)合作，利用先進(jìn)的X射線吸收技術(shù)分析了原子對X射線的吸收特征，驗證了元素的價態(tài)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。下一階段，研究人員計劃系統(tǒng)測試這七種材料的磁性表現(xiàn)，并嘗試將當(dāng)前的控氧熱力學(xué)框架擴(kuò)展應(yīng)用到其他同樣被認(rèn)為難以合成的陶瓷與復(fù)雜氧化物體系。

這篇論文上線后已獲得較高關(guān)注，部分原因在于其方法簡潔清晰，給高熵氧化物研究提供了一個可復(fù)制的設(shè)計思路。參與大量實驗工作的本科生Matthew Furst還獲邀在美國陶瓷學(xué)會年會上作報告，這類受邀報告通常保留給教師或高年級研究生，體現(xiàn)了項目在學(xué)術(shù)界的認(rèn)可度。

編譯自/scitechdaily

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