Quando senti la parola "ceramica, " potresti pensare alla tazza che hai fatto a lezione di ceramica o ai vasi che raccolgono polvere sullo scaffale di tua nonna. Mentre questi oggetti sono fatti di ceramica, sono solo una piccola parte del quadro più ampio. La ceramica viene utilizzata nelle armature, laser, elettronica, sostituzione dei denti, e altro ancora. Assicurano che la scheda madre del tuo computer funzioni senza problemi. Proteggono le navette spaziali quando la maggior parte degli altri materiali brucerebbe nell'atmosfera. In altre parole, le ceramiche sono ovunque, e sono essenziali.

Vengono anche con un prezzo. La lavorazione di molte ceramiche richiede il loro riscaldamento fino a temperature superiori a 2, 000 gradi centigradi per diverse ore. Questa è una spesa significativa in energia. Alla Carnegie Mellon University, B. Reeja Jayan sta lavorando per risolvere questo problema con la sua fonte di potere non convenzionale.

Jayan è un assistente professore in ingegneria meccanica e dirige il Laboratorio di materiali lontani dall'equilibrio della CMU. Sta studiando l'uso dei campi elettromagnetici nella fabbricazione della ceramica, in particolare per quanto riguarda la sinterizzazione e la sintesi. La sinterizzazione è il processo in cui un materiale poroso, come argilla, si addensa sotto pressione o con il calore. Ha dettagliato i nuovi sviluppi in questo campo di ricerca nell'articolo di copertina di gennaio 2019 del Journal of the American Ceramic Society .

Il documento fa risalire le sue origini a un workshop di due giorni tenutosi al Carnegie Mellon nel giugno 2017, intitolato Effetti elettromagnetici nella sintesi dei materiali. Il workshop ha riunito scienziati che lavorano in tre diverse aree della sintesi di materiali assistita sul campo. "Questo workshop è stata una buona opportunità per imparare gli uni dagli altri, "il suo ricercatore post-dottorato, Shikhar Jha, Commenti. "Questi metodi:microonde, laser, e campo elettrico, sono molto diversi tra loro, ma speriamo di capire un tema comune per metterli in relazione con un unico meccanismo".

In officina, gli scienziati hanno affrontato la questione del perché i campi elettromagnetici accelerano la sinterizzazione. "Vogliamo vedere se questi processi guidati dal campo per la sinterizzazione e la sintesi sono tutti guidati termicamente, o se il campo stesso sta inducendo ulteriore forza motrice, " dice Jayan. In altre parole, è il campo che fornisce solo calore extra, o sta facendo qualcos'altro completamente?

Questa domanda presenta opportunità di ricerca uniche. Oltre a rendere il processo più efficiente, i ricercatori possono anche elaborare nuovi materiali con nuove proprietà. "Non ci aspettiamo che il comportamento e le proprietà dei materiali siano identici a quello che erano, " Dice Jayan. "Li abbiamo trovati diversi, ma non sappiamo come, e qui stanno le opportunità."

Però, ci sono diversi ostacoli che impediscono la loro piena comprensione del processo, compresi gli strumenti di caratterizzazione disponibili. "Non puoi usare una termocoppia per misurarlo, "Jayan dice, "perché il campo interagirà anche con la termocoppia e ti fornirà dati inaffidabili".

Un altro problema è la natura dinamica del processo. "Se in seguito si misurano solo le proprietà del materiale e la microstruttura, non sai cosa è successo nella fase intermedia, " dice Jayan. A causa di questo, studi che misurano i processi mentre stanno accadendo, chiamati studi in situ, sono diventati preziosi. Il gruppo di Jayan sta lavorando con i National Laboratories per utilizzare una sorgente di sincrotrone, un tipo di acceleratore di elettroni, per far luce sulle fasi intermedie dei cambiamenti strutturali durante tali processi.

L'ultimo problema è di scala. Quando si studia la sinterizzazione, "devi essere in grado di collegare e cucire insieme tutte le scale di lunghezza, "Jayan dice, "dagli atomi fino alle grandi parti che puoi tenere tra le mani." Affinché gli scienziati possano comprendere i meccanismi sottostanti, hanno bisogno di sviluppare tecniche di caratterizzazione e modellazione in grado di determinare l'evoluzione delle strutture nel tempo a diverse scale.

Mentre le sfide possono sembrare scoraggianti, il risultato varrebbe la pena. Se gli scienziati capissero il ruolo dei campi esterni nel processo di sinterizzazione, potrebbero accelerare lo sviluppo tecnologico in una vasta gamma di campi, compresa la produzione, prodotti farmaceutici, elettronica, ed energia pulita. Già, i loro sforzi stanno dando risultati. Il lasso di tempo di 20 ore "sta scendendo ai secondi, "Jayan dice, "e la temperatura sta scendendo a poche centinaia di gradi. Si tratta di un notevole risparmio energetico".

Jayan e il suo team sperano che il loro documento serva da invito all'azione per una nuova generazione di studenti e ricercatori. Più di tutto, si trattava di "portare un divario di conoscenza alla comunità, "Jayan dice, "e dicendo loro:ecco un'opportunità. Lavoriamo insieme."