新しいセラミック材料7種を安定化技術により開発(Simple stabilizing solution leads to seven new ceramic materials)

2025-10-20 ペンシルベニア州立大学(Penn State)

ペンシルベニア州立大学(Penn State)の研究チームは、酸素量を制御するだけで7種類の新しい高エントロピー酸化物(HEO)セラミックスを安定化させる手法を開発した。従来、鉄やマンガンを含む材料は大気中で不安定だったが、焼成時に酸素を除去することで、これらの元素を2価状態の岩塩構造に固定化できた。機械学習によって数千種の組成をスクリーニングし、マグネシウム・コバルト・ニッケル・マンガン・鉄などを含む7組成を同定。作製した試料は電子デバイスやエネルギー貯蔵用材料として有望とされる。研究はバージニア工科大学との共同で進められ、『Nature Communications』誌に掲載。酸素制御という単純な方法で複雑酸化物の安定化を実現し、難合成材料の新展開を開く成果となった。

新しいセラミック材料7種を安定化技術により開発(Simple stabilizing solution leads to seven new ceramic materials)
Three of the seven newly synthesized high-entropy oxide ceramic pellets are pictured here.  Credit: David Kubarek/Penn State. All Rights Reserved.

<関連情報>

熱力学に着想を得た高エントロピー酸化物合成 Thermodynamics-inspired high-entropy oxide synthesis

Saeed S. I. Almishal,Matthew Furst,Yueze Tan,Jacob T. Sivak,Gerald Bejger,Joseph Petruska,Sai Venkata Gayathri Ayyagari,Dhiya Srikanth,Nasim Alem,Christina M. Rost,Susan B. Sinnott,Long-Qing Chen & Jon-Paul Maria
Nature Communications  Published:02 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-63567-z

Abstract

High-entropy oxide (HEO) thermodynamics transcend temperature-centric approaches, spanning a multidimensional landscape where oxygen chemical potential plays a decisive role. Here, we experimentally demonstrate how controlling the oxygen chemical potential coerces multivalent cations into divalent states in rock salt HEOs. We construct a preferred valence phase diagram based on thermodynamic stability and equilibrium analysis, alongside a high throughput enthalpic stability map derived from atomistic calculations leveraging machine learning interatomic potentials. We identify and synthesize seven equimolar, single-phase rock salt compositions incorporating Mn, Fe, or both, as confirmed by X-ray diffraction and fluorescence. Energy-dispersive X-ray spectroscopy confirms homogeneous cation distribution, whereas X-ray absorption fine structure analysis reveals predominantly divalent Mn and Fe states, despite their inherent multivalent tendencies. Ultimately, we introduce oxygen chemical potential overlap as a key complementary descriptor for predicting HEO stability and synthesizability. Although we focus on rock salt HEOs, our methods are chemically and structurally agnostic, providing a broadly adaptable framework for navigating HEOs thermodynamics and enabling a broader compositional range with contemporary property interest.

0501セラミックス及び無機化学製品
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