Une simple solution de stabilisation permet de créer sept nouveaux matériaux céramiques

Mariah Lucas

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, ou HEO: une classe de céramiques composée de cinq métaux ou plus avec un potentiel pour des applications dans le stockage d’énergie, l’électronique et les revêtements de protection.

Dans le processus de synthèse des nouveaux matériaux, les chercheurs ont créé un cadre en utilisant les principes des matériaux futurs. L’équipe a publié son travail dans Nature Communications.

« En retirant soigneusement l’oxygène de l’atmosphère du four à tubes au cours de la synthèse, nous avons stabilisé deux métaux, le fer et le manganèse, dans les céramiques qui ne se stabiliseraient pas autrement dans l’atmosphère ambiante« , a déclaré Saeed Almishal, auteur correspondant et premier, professeur de recherche à Penn State travaillant sous la direction de Jon-Paul Maria, Dorothy Pate Enright Professor of Materials Science.

Almishal a d’abord eu le succès en stabilisant un matériau contenant du manganèse et du fer en contrôlant l’oxygène dans une composition qu’il a nommée J52, qui consistait en magnésium, cobalt, nickel, manganèse et fer. Ensuite, en utilisant les capacités d’apprentissage automatique nouvellement développé – un sous-type d’intelligence artificielle – qui filtrent 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 dans le laboratoire, Almishal a synthétisé des granulés de céramique en vrac des sept compositions métalliques nouvelles, stables et potentiellement fonctionnelles. Les chercheurs de premier cycle sont soutenus par le Département de science et d’ingénierie des matériaux et le Centre de sciences nanométriques de Penn State, un État américain. Centre de recherche et d’ingénierie sur les matériaux financé par la National Science Foundation.

« En une seule étape, nous avons stabilisé les sept compositions qui sont possibles compte tenu de notre cadre actuel« , a déclaré Almishal. « Bien que cela ait été précédemment traité comme un problème complexe dans le domaine des HEO, la solution était simple à la fin. Avec une compréhension attentive des principes fondamentaux de la science de la synthèse des matériaux et de la céramique – et en particulier des principes de la thermodynamique – nous avons trouvé la réponse.« 

La stabilisation de ces matériaux signifie «contraindre» les atomes de manganèse et de fer à rester à l’état d’oxydation 2+, ou structure de sel de roche, où ils ne se lient chacun qu’à deux atomes d’oxygène, a expliqué Almishal. Si les chercheurs essayaient de synthétiser les matériaux à des niveaux d’oxygène, les matériaux ne se stabiliseraient pas parce que le manganèse et le fer continueraient à collecter des atomes d’oxygène et à passer à un état d’oxydation plus élevé. Le retrait de l’oxygène de l’atmosphère dans le four tubulaire limite l’oxygène disponible pour le matériau, ce qui permet au matériau de se stabiliser dans la structure de sel de roche souhaitée.

« La règle principale que nous avons suivie dans la synthèse de ces matériaux est le rôle que l’oxygène joue dans la stabilisation de tels matériaux céramiques« , a ajouté Almishal.

Pour s’assurer que le manganèse et le fer dans chaque nouveau matériau étaient stables à l’état d’oxydation cible, Almishal a collaboré avec des chercheurs de Virginia Tech. Ils ont effectué une technique d’imagerie avancée pour mesurer la façon dont les rayons X sont absorbés par les atomes dans le matériau. En analysant les données résultantes, 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 les sept nouveaux matériaux pour leur magnétisme. 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 en ligne des milliers de fois, semble résonner avec les chercheurs en raison de sa simplicité« , a déclaré Almishal. « Bien que nous nous concentrions sur les HEO de sel de roche, nos méthodes fournissent un large cadre adaptable pour permettre des oxydes complexes non marqués et prometteurs et désordonnés chimiquement.« 

À la suite de son vaste travail de laboratoire sur les nouveaux matériaux, le co-auteur et major en sciences et ingénierie des matériaux de premier cycle Matthew Furst a été invité à présenter la recherche lors de la réunion annuelle de l’American Ceramic Society (ACerS) avec Materials Science and Technology 2025 – un honneur habituellement réservé aux étudiants du corps professoral ou des étudiants supérieurs – qui a eu lieu du 28 septembre au 1er octobre à Columbus, Ohio.

« Je suis tellement reconnaissante des opportunités que j’ai eues sur ce projet et d’être impliquée dans chaque étape du processus de recherche et de publication« , a conclu Furst. « Être capable de présenter ce matériel à un large public en tant que conférence invitée reflète mon implication et l’excellente guidance que j’ai reçue 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 pousser plus loin à l’avenir!« 

article : « Thermodynamics-inspired high-entropy oxide synthesis » – DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-025-63567-z

Source : PSU