العلماء يبتكرون 7 مواد سيراميكية جديدة رائعة عن طريق إزالة الأكسجين ببساطة

اكتشف علماء ولاية بنسلفانيا سبعة أنواع سيراميك جديدة ببساطة عن طريق إزالة الأكسجين، مما يفتح الطريق أمام المواد التي كانت بعيدة المنال.

في بعض الأحيان، أقل حقا هو أكثر. ومن خلال إزالة الأكسجين أثناء عملية التخليق، تمكن فريق من علماء المواد في ولاية بنسلفانيا نجح الفريق في إنشاء سبعة أكاسيد جديدة عالية الإنتروبيا (HEOs)، وهي فئة من السيراميك مصنوعة من خمسة معادن أو أكثر تبشر بالخير للاستخدام في تخزين الطاقة، والإلكترونيات، والطلاءات الواقية.

خلال تجاربهم، أنشأ الباحثون أيضًا إطارًا لتصميم المواد المستقبلية بناءً على مبادئ الديناميكا الحرارية. ونشرت النتائج التي توصلوا إليها في اتصالات الطبيعة.

“من خلال إزالة الأكسجين بعناية من الغلاف الجوي للفرن الأنبوبي أثناء عملية التصنيع، قمنا بتثبيت معدنين، الحديد والمنغنيز، في السيراميك الذي لا يمكن أن يستقر في الغلاف الجوي المحيط”، قال المؤلف المقابل والمؤلف الأول سعيد المشعل، أستاذ الأبحاث في ولاية بنسلفانيا والذي يعمل تحت إشراف جون بول ماريا، أستاذ دوروثي بات إنرايت لعلوم المواد.

التعلم الآلي يوسع الإمكانيات المادية

نجح المشعل أولاً في تثبيت مركب يحتوي على المنغنيز والحديد عن طريق التحكم بدقة في مستويات الأكسجين في مادة أطلق عليها اسم J52، وتتكون من المغنيسيوم والكوبالت والنيكل والمنغنيز والحديد. وبناء على ذلك، استخدم المطورة حديثا التعلم الآلي أدوات – أ الذكاء الاصطناعي تقنية قادرة على فحص الآلاف من مجموعات المواد المحتملة في غضون ثوانٍ، لتحديد ست مجموعات معدنية إضافية قادرة على تشكيل HEOs مستقرة.

وبمساعدة فريق من الطلاب الجامعيين الذين قاموا بمعالجة العينات وتصنيعها وتوصيفها، أنتج المشعل كريات خزفية ضخمة من جميع تركيبات HEO السبعة الجديدة والمستقرة والتي يحتمل أن تكون وظيفية. تم دعم عمل الطلاب من قبل قسم علوم وهندسة المواد ومركز ولاية بنسلفانيا للعلوم النانوية، وهو مركز علوم وهندسة أبحاث المواد الممول من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية.

مبادئ الديناميكا الحرارية وراء الاستقرار

وقال المشعل: “في خطوة واحدة، تمكنا من تثبيت جميع التركيبات السبعة الممكنة في ظل إطارنا الحالي”. “على الرغم من أن هذا قد تم التعامل معه سابقًا على أنه مشكلة معقدة في مجال الأجسام عالية الطاقة، إلا أن الحل كان بسيطًا في النهاية. ومن خلال الفهم الدقيق لأساسيات علم تخليق المواد والسيراميك – وخاصة مبادئ الديناميكا الحرارية – وجدنا الإجابة”.

وأوضح المشعل أن تثبيت هذه المواد ينطوي على “إجبار” ذرات المنغنيز والحديد على البقاء في حالة الأكسدة 2+، والمعروفة أيضًا باسم بنية الملح الصخري، حيث كل منها ذرة روابط مع ذرتين فقط من الأكسجين. في ظل مستويات الأكسجين الطبيعية، ستفشل المواد في الاستقرار لأن ذرات المنغنيز والحديد ستظل مرتبطة بالأكسجين الإضافي، وتتحول إلى حالة أكسدة أعلى. ومن خلال تقليل كمية الأكسجين في الفرن الأنبوبي، قام الباحثون بتقييد كمية الأكسجين التي يمكن أن تمتصها المادة، مما يسمح لها بالتشكل والبقاء في بنية الملح الصخري المستقر.

وقال المشعل: “إن القاعدة الأساسية التي اتبعناها في تصنيع هذه المواد هي الدور الذي يلعبه الأكسجين في تثبيت هذه المواد الخزفية”.

تأكيد النتائج والتوجهات المستقبلية

وللتأكد من ثبات المنغنيز والحديد في كل مادة جديدة في حالة الأكسدة المستهدفة، تعاون المشعل مع باحثين من جامعة فرجينيا للتكنولوجيا. لقد أجروا تقنية تصوير متقدمة لقياس كيفية امتصاص الذرات الموجودة في المادة للأشعة السينية. ومن خلال تحليل البيانات الناتجة، تمكن الباحثون من تحديد حالة الأكسدة لعناصر محددة وتأكيد ثبات المنغنيز والحديد في المواد الجديدة.

وفي المرحلة التالية من البحث، قال الباحثون إنهم سيختبرون مغناطيسية جميع المواد السبع الجديدة. كما يهدفون أيضًا إلى تطبيق إطارهم الديناميكي الحراري للتحكم في الأكسجين أثناء عملية التصنيع على فئات المواد الأخرى التي تعتبر حاليًا غير مستقرة ويصعب تصنيعها.

وقال المشعل: “يبدو أن هذه الورقة، التي تم الوصول إليها عبر الإنترنت آلاف المرات، تلقى صدى لدى الباحثين بسبب بساطتها”. “على الرغم من أننا نركز على HEOs الملح الصخري، فإن أساليبنا توفر إطارًا واسعًا قابلاً للتكيف لتمكين الأكاسيد المعقدة المجهولة والواعدة والمضطربة كيميائيًا.”

نتيجة لعمله المعملي المكثف على المواد الجديدة، تمت دعوة ماثيو فورست، المؤلف المشارك والرائد في علوم وهندسة المواد في المرحلة الجامعية، لتقديم بحثه في الاجتماع السنوي لجمعية السيراميك الأمريكية (ACerS) مع علوم وتكنولوجيا المواد 2025 – وهو شرف مخصص عادةً لأعضاء هيئة التدريس أو طلاب الدراسات العليا – والذي انعقد في الفترة من 28 سبتمبر إلى 1 أكتوبر في كولومبوس، أوهايو.

قال فورست: “أنا ممتن للغاية للفرص التي أتيحت لي في هذا المشروع وللمشاركة في كل خطوة من عملية البحث والنشر”. “إن قدرتي على تقديم هذه المادة إلى جمهور عريض كمحاضرة مدعوة يعكس مشاركتي والتوجيه الممتاز الذي تلقيته من الموجهين. إن تطوير مهارات الاتصال المهمة كطالب جامعي يعني الكثير بالنسبة لي، وأنا أتطلع إلى دفع نفسي أكثر في المستقبل! “

المرجع: “توليف أكسيد عالي الإنتروبيا مستوحى من الديناميكا الحرارية” بقلم سعيد سيفاك، وجيرالد بيجر، وجوزيف بيتروسكا، وساي فينكاتا غاياتري أياغاري، وضياء سريكانث، ونسيم عالم، وكريستينا إم روست، وسوزان بي سينوت، ولونغ تشينغ تشين، وجون بول ماريا، 2 سبتمبر 2025، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-025-63567-z

التمويل: قام مركز ولاية بنسلفانيا للعلوم النانوية، وهو مركز علوم وهندسة أبحاث المواد الذي تموله مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، بدعم هذا البحث.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.