간단한 산소 해킹으로 7가지 새로운 세라믹 소재 생성

이러한 재료를 개발하는 동안 팀은 미래 재료를 설계하기 위한 보다 광범위한 프레임워크도 제시했습니다. 그들의 연구 결과는 네이처커뮤니케이션즈.

“합성 중에 관상로의 대기에서 산소를 조심스럽게 제거함으로써 우리는 철과 망간이라는 두 가지 금속을 주변 대기에서 안정화되지 않는 세라믹으로 안정화했습니다”라고 Penn State의 연구 교수이자 제1저자인 Saeed Almishal이 말했습니다. 그는 재료 과학 분야의 Dorothy Pate Enright 교수인 Jon-Paul Maria와 함께 작업하고 있습니다.

조기 혁신 및 기계 학습 발견

Almishal은 J52로 명명한 구성에서 산소 수준을 조정하여 망간과 철을 함유한 물질의 안정성을 처음으로 달성했습니다. 그 샘플에는 마그네슘, 코발트, 니켈, 망간, 철이 포함되어 있었습니다. 초기 성공 이후 그는 수천 가지의 가능한 공식을 신속하게 평가할 수 있는 새로 개발된 기계 학습 기능을 사용했습니다. 이러한 도구를 사용하여 그는 HEO를 형성할 수 있는 6개의 추가 금속 조합을 식별했습니다.

샘플 처리, 제작 및 특성화를 도운 학부생 연구원과 함께 작업하면서 Almishal은 7가지 새로운 HEO 구성을 모두 나타내는 고체 세라믹 펠렛을 생산했습니다. 이 학생들은 재료 과학 및 공학부와 미국 국립 과학 재단이 자금을 지원하는 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터인 Penn State의 나노 규모 과학 센터의 지원을 받았습니다.

Almishal은 “단일 단계로 현재 프레임워크에서 가능한 7가지 구성을 모두 안정화했습니다.”라고 말했습니다. “이전에는 HEO 분야에서 복잡한 문제로 다루었지만 결국 해결책은 간단했습니다. 재료 및 세라믹 합성 과학의 기초, 특히 열역학 원리에 대한 세심한 이해를 통해 답을 찾았습니다.”

산소 수준이 재료를 형성하는 방법

이러한 세라믹을 안정화하려면 망간과 철 원자가 2+ 산화 상태를 유지해야 하며, 각 원자가 단 두 개의 산소 원자와 결합하는 암염 구조를 형성해야 합니다. Almishal에 따르면 이는 일반적인 산소가 풍부한 조건에서는 발생하지 않습니다. 정상적인 대기에서 합성되면 망간과 철은 산소와 계속 결합하여 더 높은 산화 상태로 전환되어 물질이 올바르게 형성되지 않습니다. 관상로에서 산소를 줄이면 사용 가능한 산소 원자 수가 제한되어 원하는 암염 구조가 형성될 수 있습니다.

Almishal은 “이러한 물질을 합성할 때 우리가 따른 주요 규칙은 산소가 세라믹 물질을 안정화시키는 역할을 한다는 것입니다.”라고 말했습니다.

구조 확인 및 향후 실험 계획

망간과 철이 실제로 의도한 산화 상태로 남아 있는지 확인하기 위해 Almishal은 Virginia Tech의 연구원들과 협력했습니다. 그들의 팀은 원자가 엑스레이를 흡수하는 방법을 조사하는 고급 이미징 접근 방식을 사용했습니다. 결과 데이터를 연구함으로써 그들은 개별 원소의 산화 상태를 확인하고 재료가 안정적이라는 것을 입증할 수 있었습니다.

다음 작업 단계에는 7개의 새로운 HEO 모두의 자기 특성을 테스트하는 작업이 포함됩니다. 연구원들은 또한 현재 합성하기 어려운 다른 유형의 물질을 안정화하기 위해 산소 제어에 동일한 열역학적 원리를 사용하기를 희망합니다.

“이미 온라인에서 수천 번 접속된 이 논문은 단순성 때문에 연구자들에게 반향을 불러일으키는 것 같습니다”라고 Almishal은 말했습니다. “우리는 암염 HEO에 초점을 맞추고 있지만, 우리의 방법은 미지의 유망한 화학적으로 무질서한 복합 산화물을 가능하게 하는 광범위하고 적응 가능한 프레임워크를 제공합니다.”

학부생 인정 및 연구 협력

연구실에서 중요한 공헌을 한 공저자이자 재료과학 및 공학 전공인 매튜 퍼스트(Matthew Furst)는 오하이오주 콜럼버스에서 9월 28일부터 10월 1일까지 개최된 미국 세라믹 학회(ACerS)의 2025년 재료 과학 및 기술 연례 회의에서 연구 결과를 발표하도록 초대되었습니다. 이 초대는 일반적으로 교수진이나 고위 대학원생에게까지 확대됩니다.

Furst는 “이 프로젝트에 참여하고 연구 및 출판 과정의 모든 단계에 참여할 수 있는 기회를 갖게 되어 매우 감사합니다”라고 말했습니다. “초대 강연으로 이 자료를 폭넓은 청중에게 발표할 수 있게 된 것은 제가 참여한 것과 멘토들로부터 받은 훌륭한 지도를 반영한 ​​것입니다. 이는 학부생으로서 중요한 의사소통 기술을 개발하는 데 큰 의미가 있으며 앞으로도 더욱 발전할 수 있기를 기대합니다!”

팀원 및 지원

Almishal, Maria 및 Furst 외에도 Penn State 연구팀에는 학부생 Joseph Petruska 및 Dhiya Srikanth가 포함되었습니다. 대학원생 Yueze Tan 및 Sai Venkata Gayathri Ayyagari; 최근 재료 과학에 중점을 두고 화학 박사 학위를 취득한 Jacob Sivak도 있습니다. 교수 협력자에는 재료 과학 및 공학 교수인 Nasim Alem; Susan Sinnott, 재료 과학, 공학, 화학 교수; 그리고 Long-Qing Chen, 재료 과학 및 공학의 Hamer 교수, 공학 과학 및 기계 및 수학 교수.

버지니아 공과대학의 공동 저자는 재료 과학 및 공학 조교수인 Christina Rost와 대학원생 Gerald Bejger였습니다.

미국 국립 과학 재단이 자금을 지원하는 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터인 Penn State Center for Nanoscale Science가 이 연구를 지원했습니다.