Durante o desenvolvimento desses materiais, a equipe também traçou uma estrutura mais ampla para o design de futuros materiais. Seus achados foram publicados na Nature Communications.

“Ao remover cuidadosamente oxigênio da atmosfera do forno de tubo durante a síntese, estabilizamos dois metais, ferro e manganês, nas cerâmicas que, de outra forma, não se estabilizariam na atmosfera ambiente,” disse Saeed Almishal, professor de pesquisa na Penn State e autor correspondente e principal, colaborando com Jon-Paul Maria, o Professor Dorothy Pate Enright de Ciência dos Materiais.

Primeiros Avanços e Descoberta por Aprendizado de Máquina

Almishal primeiro alcançou a estabilidade em um material contendo manganês e ferro ao ajustar os níveis de oxigênio em uma composição que designou como J52. Essa amostra incluía magnésio, cobalto, níquel, manganês e ferro. Após esse sucesso inicial, ele usou novas capacidades de aprendizado de máquina que podem avaliar rapidamente milhares de formulações possíveis. Com essas ferramentas, ele identificou seis combinações adicionais de metais capazes de formar OAE.

Trabalhando ao lado de pesquisadores de graduação que ajudaram a processar, fabricar e caracterizar amostras, Almishal produziu pellets cerâmicos sólidos representando todas as sete novas composições de OAE. Esses alunos foram apoiados pelo Departamento de Ciência dos Materiais e Engenharia e pelo Centro de Ciência Nanoscale da Penn State, um Centro de Pesquisa em Ciência e Engenharia de Materiais financiado pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA.

“Em um único passo, estabilizamos todas as sete composições possíveis dadas nossas diretrizes atuais,” disse Almishal. “Embora isso tenha sido tratado anteriormente como um problema complexo no campo dos OAE, a solução era simples no final. Com uma compreensão cuidadosa dos fundamentos da ciência de síntese de materiais e cerâmicas, e particularmente dos princípios da termodinâmica, encontramos a resposta.”

Como os Níveis de Oxigênio Modelam os Materiais

Para estabilizar essas cerâmicas, os átomos de manganês e ferro devem permanecer no estado de oxidação 2+, formando o que é conhecido como estrutura de sal de rocha, onde cada átomo se liga a apenas dois átomos de oxigênio. De acordo com Almishal, isso não acontece em condições típicas ricas em oxigênio. Se sintetizados em uma atmosfera normal, manganês e ferro continuariam se ligando ao oxigênio e mudariam para um estado de oxidação mais alto, impedindo a formação correta do material. Reduzir o oxigênio no forno de tubo limita a quantidade de átomos de oxigênio disponíveis, permitindo que a estrutura desejada de sal de rocha se forme.

“A principal regra que seguimos na síntese desses materiais é o papel que o oxigênio desempenha na estabilização de tais materiais cerâmicos,” disse Almishal.

Confirmando a Estrutura e Planejando Experimentos Futuros

Para verificar se o manganês e o ferro realmente permaneceram no estado de oxidação desejado, Almishal colaborou com pesquisadores da Virginia Tech. A equipe deles utilizou uma abordagem de imagem avançada que examina como os átomos absorvem raios-X. Ao estudar os dados resultantes, eles puderam confirmar os estados de oxidação de elementos individuais e demonstrar que os materiais estavam estáveis.

A próxima fase do trabalho envolverá testar as propriedades magnéticas de todos os sete novos OAE. Os pesquisadores também esperam usar os mesmos princípios termodinâmicos para o controle de oxigênio para estabilizar outros tipos de materiais que atualmente são difíceis de sintetizar.

“Este artigo, que já foi acessado online milhares de vezes, parece ressoar com pesquisadores devido à sua simplicidade,” disse Almishal. “Embora nos concentremos em OAE de sal de rocha, nossos métodos fornecem uma estrutura ampla e adaptável para viabilizar óxidos complexos desordenados quimicamente promissores.”

Reconhecimento de Estudantes de Graduação e Colaboração em Pesquisa

Devido às suas contribuições significativas no laboratório, o coautor e aluno de graduação em ciência e engenharia de materiais, Matthew Furst, foi convidado a apresentar os achados na Reunião Anual da American Ceramic Society (ACerS) com Ciência e Tecnologia dos Materiais 2025, que ocorreu de 28 de setembro a 1 de outubro em Columbus, Ohio. Este convite é tipicamente estendido a professores ou alunos de pós-graduação sêniores.

“Sou muito grato pelas oportunidades que tive neste projeto e por estar envolvido em cada etapa do processo de pesquisa e publicação,” disse Furst. “Poder apresentar este material a um público amplo como uma palestra convidada reflete meu envolvimento e a excelente orientação que recebi de meus mentores. Isso significa muito para mim desenvolver habilidades importantes de comunicação como estudante de graduação, e estou ansioso para me desafiar ainda mais no futuro!”

Membros da Equipe e Apoio

Além de Almishal, Maria e Furst, a equipe de pesquisa da Penn State incluiu os alunos de graduação Joseph Petruska e Dhiya Srikanth; os alunos de pós-graduação Yueze Tan e Sai Venkata Gayathri Ayyagari; e Jacob Sivak, que recentemente obteve um doutorado em química com foco em ciência dos materiais. Colaboradores docentes incluíram Nasim Alem, professor de ciência e engenharia de materiais; Susan Sinnott, professora de ciência e engenharia de materiais e de química; e Long-Qing Chen, o Professor Hamer de Ciência dos Materiais, professor de ciências de engenharia e mecânica e de matemática.

Da Virginia Tech, os co-autores foram Christina Rost, professora assistente de ciência e engenharia de materiais, e o aluno de pós-graduação Gerald Bejger.

O Centro de Ciência Nanoscale da Penn State, um Centro de Pesquisa em Ciência e Engenharia de Materiais financiado pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA, forneceu apoio a esta pesquisa.