陶瓷材料的重大突破：低氧環境解鎖七種全新高熵氧化物

「透過在合成過程中仔細控制氧氣含量，我們成功合成了七種先前未知的、具有獨特結構和潛在應用的高熵氧化物。這項突破不僅擴展了陶瓷材料的種類，也為設計具有獨特性能的未來材料提供了一個更廣泛的框架。」

傳統氧化物陶瓷的合成往往面臨著諸多挑戰。其中一個主要問題是，某些金屬元素在常見的富氧環境下難以穩定存在，導致無法合成預期的材料結構與性質。例如，鐵和錳在高氧條件下傾向於形成高價氧化物，這會阻礙它們在特定晶體結構（如岩鹽結構）中的穩定存在。因此，開發新的合成策略，克服這些限制，一直是材料科學領域的重要課題。

近期，賓州州立大學的材料科學家們取得了一項突破性的進展。他們發現，通過精確控制合成過程中的氧氣含量，可以穩定鐵和錳等原本不穩定的元素，進而成功合成了七種全新的高熵氧化物（High-Entropy Oxides, HEOs）。高熵氧化物是一種由五種或更多金屬元素以近等摩爾比混合而成的陶瓷材料，由於其獨特的成分和結構，HEOs 展現出許多潛在的優異性能，例如高強度、高韌性、耐高溫和耐腐蝕等。

“By carefully removing oxygen from the atmosphere of the tube furnace during synthesis, we stabilized two metals, iron and manganese, into the ceramics that would not otherwise stabilize in the ambient atmosphere,” – Saeed Almishal.

研究團隊通過降低管式爐中的氧氣分壓，成功地將鐵和錳穩定在 2+ 氧化態，從而形成所需的岩鹽結構。這項成果不僅驗證了控制氧氣含量在材料合成中的重要性，也為合成其他難以製備的材料提供了新的思路。
機器學習加速材料發現：從量變到質變
在最初的突破之後，研究團隊進一步利用機器學習技術，加速了新材料的發現過程。他們開發了一套能夠快速評估數千種潛在配方的機器學習模型，從而成功識別出六種額外的、能夠形成 HEOs 的金屬組合。

The use of newly developed machine learning capabilities that can rapidly evaluate thousands of possible formulations.

傳統的材料開發往往是一個漫長且反覆試驗的過程，而機器學習的應用，無疑大大提高了效率，縮短了開發週期。這種計算方法與實驗相結合的策略，正在成為材料科學研究的新趨勢。
X射線吸收光譜：驗證氧化態的利器
為了驗證鐵和錳的氧化態，研究團隊還採用了一種名為 X 射線吸收光譜（X-ray Absorption Spectroscopy, XAS）的先進成像技術。這種技術通過分析原子對 X 射線的吸收情況，可以準確地確定元素的氧化態和局部結構。通過與維吉尼亞理工大學的合作，研究團隊成功地證實了所合成的 HEOs 中鐵和錳確實以 2+ 氧化態存在，從而確保了材料的穩定性和元素組成。XAS技術在材料研究中扮演著越來越重要的角色，特別是在複雜材料的結構表徵方面。

研究人員相信，氧氣控制的熱力學原理可以應用於穩定其他目前難以合成的材料。他們計劃研究新創建的 HEO 的磁性，可能導致新的應用。 這種方法為實現未知的、有希望的化學無序複雜氧化物提供了一個廣泛的適應性框架。

“Although we focus on rock salt HEOs, our methods provide a broad adaptable framework for enabling uncharted, promising chemically disordered complex oxides.” – Saeed Almishal

這項研究成果不僅為高熵氧化物的研究開闢了新的方向，也為其他新型陶瓷材料的開發提供了啟示。例如，通過控制其他熱力學參數（如壓力、溫度和氣氛），或許可以合成出更多具有獨特性能的材料。

值得一提的是，這項研究中，本科生也扮演了重要的角色。他們參與了樣品處理、製備和表徵等工作，其中一位本科生共同作者甚至受邀在美國陶瓷學會的年會上展示研究成果。這充分體現了本科生參與科研的重要性。

“I am so grateful for the opportunities that I have had on this project and to be involved in every step of the research and publication process,” – Matthew Furst

讓本科生參與科研，不僅可以培養他們的科學素養和創新能力，也可以為未來的科學研究注入新的活力。

總而言之，賓州州立大學的研究團隊通過巧妙地控制氧氣含量，成功合成了一系列全新的高熵氧化物，為陶瓷材料的發展帶來了重要的突破。這項成果不僅展示了基礎材料科學原理的重要性，也彰顯了實驗和計算方法相結合的強大力量。學者與研究生可以通過在學術資料庫中搜尋 “Low Oxygen High-Entropy Oxides” 等關鍵字，找到相關的論文與研究資訊，進一步了解這項突破性研究的細節。