Sette nuove ceramiche high-tech grazie al controllo dell’ossigeno

Un semplice trucco nell’uso dell’ossigeno ha permesso ai ricercatori della Penn State di sintetizzare sette nuovi ossidi ceramici ad alta entropia.

Questo studio apre nuove strade nella progettazione di materiali avanzati per elettronica, energia e rivestimenti. Un’innovazione che segna un passo avanti fondamentale nella scienza dei materiali e nella sostenibilità dell’edilizia del futuro.

Un approccio semplice per un problema complesso: come nasce un materiale innovativo

I materiali ceramici ad alta entropia (HEO – High-Entropy Oxides) rappresentano una delle frontiere più promettenti nella scienza dei materiali. Composti da cinque o più metalli, offrono proprietà uniche in termini di stabilità termica, resistenza meccanica e funzionalità elettronica. Tuttavia, sintetizzarli è stato a lungo considerato un compito estremamente complesso. Fino a oggi.

Un team di scienziati della Pennsylvania State University ha pubblicato sulla rivista Nature Communications un metodo innovativo e sorprendentemente semplice: ridurre i livelli di ossigeno durante la sintesi. Questo accorgimento ha permesso la formazione stabile di sette nuovi HEO, inclusi metalli come ferro e manganese, normalmente instabili in ceramiche convenzionali.

Il ruolo cruciale dell’ossigeno nella sintesi ceramica

Durante la sintesi di ceramiche in un forno tubolare, la quantità di ossigeno presente nell’ambiente determina la struttura cristallina finale del materiale. Nel caso degli ossidi ad alta entropia, è essenziale che alcuni metalli, in particolare ferro (Fe) e manganese (Mn), rimangano nello stato di ossidazione 2+ per formare la cosiddetta struttura a salgemma (rock-salt).

In presenza di un’atmosfera ricca di ossigeno, questi metalli tendono a ossidarsi ulteriormente, destabilizzando la struttura e impedendo la formazione del composto desiderato. Al contrario, ridurre l’ossigeno limita la possibilità di ulteriori ossidazioni, consentendo la formazione di legami stabili con due soli atomi di ossigeno.

Machine learning e termodinamica: una combinazione vincente

Dopo aver ottenuto i primi risultati promettenti con una composizione chiamata J52, contenente magnesio, cobalto, nichel, manganese e ferro, il team ha utilizzato algoritmi di machine learning per esplorare migliaia di possibili combinazioni metalliche.

Il risultato? Sei nuove formulazioni di HEO create in laboratorio in forma di pellet ceramici. In un solo passaggio, i ricercatori sono riusciti a stabilizzare tutte e sette le nuove composizioni, semplificando un processo considerato fino ad allora proibitivo.

“Con una comprensione accurata dei fondamenti della sintesi ceramica e dei principi della termodinamica, abbiamo trovato una soluzione semplice a un problema ritenuto complesso”, ha affermato Saeed Almishal, autore principale dello studio.

Immagini avanzate per la conferma strutturale

Per verificare la reale struttura e lo stato di ossidazione dei metalli, i ricercatori si sono avvalsi di sofisticate tecniche di imaging a raggi X in collaborazione con la Virginia Tech. Questa fase è stata cruciale per confermare che ferro e manganese si trovassero nello stato desiderato (2+) e che la struttura a salgemma fosse effettivamente presente in tutti i materiali.

Proprietà magnetiche e applicazioni future

La prossima fase del progetto prevede l’analisi delle proprietà magnetiche delle sette nuove ceramiche, che potrebbero avere implicazioni per:

• Dispositivi elettronici ad alte prestazioni;
• Rivestimenti protettivi per l’industria;
• Applicazioni energetiche, come batterie e condensatori avanzati;
• Sistemi magnetici e sensori.

Ma non è tutto. Il team sta già lavorando per applicare lo stesso principio di controllo dell’ossigeno alla sintesi di materiali non ancora realizzabili con tecniche tradizionali, potenzialmente estendendo il metodo a una gamma ancora più ampia di ossidi disordinati chimicamente complessi.

Un’opportunità per l’edilizia del futuro

I nuovi HEO potrebbero avere importanti ricadute anche nel settore dell’edilizia avanzata. Grazie alla loro resistenza a temperature estreme, usura e agenti chimici, queste ceramiche sono candidate ideali per:

• Rivestimenti per materiali da costruzione in ambienti ostili (come tunnel, centrali elettriche o strutture industriali);
• Componenti architettonici con esigenze di durabilità avanzata;
• Materiali ignifughi e isolanti per edifici smart.

Formazione, collaborazione e riconoscimenti accademici

Una nota di merito va anche agli studenti universitari che hanno contribuito attivamente alla ricerca. Matthew Furst, studente della Penn State, è stato persino invitato a presentare il lavoro all’American Ceramic Society — un onore solitamente riservato a professori e dottorandi.

“Essere coinvolto in ogni fase della ricerca è stata un’esperienza incredibile. Avere la possibilità di presentare il nostro lavoro davanti a una platea internazionale è un traguardo che non dimenticherò”, ha dichiarato Furst.

Team e finanziamenti

Il progetto è stato coordinato da Saeed Almishal e dal professor Jon-Paul Maria, con la collaborazione di studenti e docenti della Penn State e della Virginia Tech. Il Penn State Center for Nanoscale Science, finanziato dalla National Science Foundation (NSF), ha sostenuto lo sviluppo della ricerca.

Tra i membri del team:

• Nasim Alem (Professore di Ingegneria dei Materiali);
• Susan Sinnott (Professore di Chimica e Ingegneria dei Materiali);
• Long-Qing Chen (esperto di meccanica ingegneristica e matematica applicata);
• Christina Rost (Virginia Tech);
• Jacob Sivak, Gerald Bejger, Yueze Tan e Sai Venkata Ayyagari (ricercatori e studenti laureati).

Una lezione semplice con potenziale illimitato

Questa ricerca dimostra che anche nella scienza dei materiali, a volte la soluzione più rivoluzionaria può essere la più semplice. Riducendo l’ossigeno durante la sintesi, i ricercatori hanno risolto un problema di lunga data e tracciato una nuova strada per l’innovazione in edilizia, elettronica e sostenibilità.

Un piccolo passo per l’ossigeno, un grande balzo per i materiali del futuro (-semicit).