I forni a microonde sono il cardine degli elettrodomestici da cucina nelle nostre case. Cinque anni fa, quando Reeja Jayan era un nuovo professore alla Carnegie Mellon University, era incuriosita dall'idea di usare le microonde per coltivare i materiali. Lei e altri ricercatori avevano dimostrato che le radiazioni a microonde consentivano la cristallizzazione della temperatura e la crescita di ossidi ceramici. Esattamente come le microonde facessero questo non era ben compreso, e questo mistero ha ispirato Jayan a riprogettare un forno a microonde da 30 dollari in modo da poter indagare sugli effetti dinamici delle radiazioni a microonde sulla crescita dei materiali.

Oggi, Jayan, che ora è professore associato di ingegneria meccanica, ha fatto un passo avanti nella nostra comprensione di come le microonde influenzano la chimica dei materiali. Lei e il suo studente Nathan Nakamura hanno esposto l'ossido di stagno (una ceramica) a radiazioni a microonde a 2,45 GHz e hanno capito come monitorare i cambiamenti strutturali atomici (in situ) mentre si verificavano. Questa scoperta è importante perché ha dimostrato che le microonde influenzano il sottoreticolo di ossigeno dell'ossido di stagno tramite distorsioni introdotte nella struttura atomica locale. Tali distorsioni non si verificano durante la sintesi dei materiali convenzionali (dove l'energia viene applicata direttamente sotto forma di calore).

A differenza degli studi precedenti, che soffriva dell'impossibilità di monitorare i cambiamenti strutturali durante l'applicazione delle microonde, Jayan ha sviluppato nuovi strumenti (un reattore a microonde progettato su misura che consente lo scattering di raggi X di sincrotrone in situ) per studiare queste dinamiche, cambiamenti guidati dal campo nella struttura atomica locale nel momento in cui si verificano. Rivelando la dinamica di come le microonde influenzano specifici legami chimici durante la sintesi, Jayan sta gettando le basi per materiali ceramici su misura con la nuova elettronica, termico, e proprietà meccaniche.

"Una volta che conosciamo le dinamiche, possiamo usare questa conoscenza per creare materiali lontani dall'equilibrio e ideare nuovi processi efficienti dal punto di vista energetico per i materiali esistenti, come la stampa 3D di ceramiche, " afferma. La commercializzazione della manifattura additiva di metalli e plastiche è molto diffusa, ma lo stesso non si può dire per i materiali ceramici. La stampa 3D della ceramica potrebbe far progredire i settori che vanno dall'assistenza sanitaria (immagina ossa artificiali e impianti dentali) agli strumenti industriali e all'elettronica:la ceramica può sopravvivere alle alte temperature che i metalli non possono. Però, l'integrazione dei materiali ceramici con le odierne tecnologie di stampa 3D è difficile perché le ceramiche sono fragili, sono necessarie temperature ultraelevate, e non capiamo come controllarne le proprietà durante i processi di stampa.

Le scoperte di Jayan derivano da esperimenti non convenzionali che si basavano su una combinazione di strumenti. Ha usato l'analisi della funzione di distribuzione di coppie di raggi X (PDF) per fornire in tempo reale, informazioni strutturali in situ sull'ossido di stagno mentre veniva esposto alle radiazioni a microonde. Ha confrontato questi risultati con l'ossido di stagno che è stato sintetizzato senza esposizione al campo elettromagnetico. I confronti hanno rivelato che le microonde stavano influenzando la struttura su scala atomica disturbando il sottoreticolo dell'ossigeno. "Siamo stati i primi a dimostrare che le microonde creano tali interazioni localizzate escogitando un metodo per osservarle dal vivo durante una reazione chimica, "dice Jayan.

Questi esperimenti erano estremamente difficili da condurre e richiedevano un reattore a microonde costruito su misura. (Questo ha rappresentato un miglioramento significativo in termini di costi e ingegneria rispetto al forno domestico originale). Il reattore è stato progettato in collaborazione con Gerling Applied Engineering, e gli esperimenti sono stati condotti presso il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti Brookhaven National Laboratory (BNL). Il dottor Sanjit Ghose e il dottor Jianming Bai, scienziati di punta della BNL, sono stati fondamentali per aiutare la squadra di Jayan a integrare il reattore a microonde nella linea di luce.

"Un altro risultato di questa ricerca è che le microonde possono fare molto di più del semplice riscaldamento. Possono avere un effetto non termico, che può riorganizzare la struttura dei materiali come un puzzle, " dice Jayan. Basandosi su questo concetto, sta studiando come utilizzare le microonde per progettare nuovi materiali.

I risultati della ricerca di Jayan sono stati pubblicati nel Journal of Materials Chemistry A , in "Analisi della funzione di distribuzione della coppia di sincrotrone in situ per monitorare i percorsi sintetici sotto eccitazione elettromagnetica". Il documento è stato riconosciuto come parte dell'Emerging Investigators Issue 2020 della rivista. Il lavoro di Jayan è stato sostenuto da una borsa di studio Young Investigator del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, Ufficio di ricerca scientifica dell'aeronautica.