Caratterizzare e prevedere come si comporta il vetro silicato riscaldato elettricamente è importante perché viene utilizzato in una varietà di dispositivi che guidano le innovazioni tecniche. Il vetro silicato viene utilizzato negli schermi di visualizzazione. Le fibre di vetro alimentano Internet. I dispositivi in ​​vetro su scala nanometrica vengono utilizzati per fornire trattamenti medici innovativi come la somministrazione mirata di farmaci e la ricrescita dei tessuti.

La scoperta che in determinate condizioni il vetro di silicato riscaldato elettricamente sfida una legge della fisica a lungo accettata nota come prima legge di Joule dovrebbe interessare un ampio spettro di scienziati, ingegneri, anche il grande pubblico, secondo Himanshu Jain, Diamond Distinguished Chair del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Lehigh University.

Le fondamenta del riscaldamento elettrico furono poste da James Prescott Joule, un fisico e matematico inglese, nel 1840. Joule dimostrò che il calore viene generato quando la corrente elettrica viene fatta passare attraverso un resistore. La sua conclusione, nota come prima legge di Joule, afferma semplicemente che il calore è prodotto in proporzione al quadrato di una corrente elettrica che passa attraverso un materiale.

"È stato verificato più e più volte su metalli e semiconduttori omogenei che si riscaldano in modo uniforme, come fa una lampadina a incandescenza, "dice Giain.

Lui e i suoi colleghi, tra cui Nicholas J. Smith e Craig Kopatz, entrambi di Corning Incorporated, così come Charles T. McLaren, un ex dottorato di ricerca studente di Jain, ora ricercatore presso Corning, è autore di un articolo pubblicato oggi in Rapporti scientifici che dettaglia la loro scoperta che il comune riscaldato elettricamente, i vetri omogenei di silicato sembrano sfidare la prima legge di Joule.

Nella carta, intitolato "Sviluppo di un profilo di temperatura altamente disomogeneo all'interno di vetri di silicato alcalino riscaldati elettricamente, " gli autori scrivono:"A differenza dei metalli e dei semiconduttori a conduzione elettronica, con il tempo il riscaldamento del vetro a conduzione ionica diventa estremamente disomogeneo con la formazione di una regione di impoverimento degli alcali su scala nanometrica, tale che il vetro fonde vicino all'anodo, addirittura evapora, pur rimanendo solido altrove. L'imaging a infrarossi in situ mostra e l'analisi degli elementi finiti conferma le temperature localizzate più di mille gradi al di sopra del campione rimanente a seconda che il campo sia DC o AC".

"Nei nostri esperimenti, il vetro è diventato più caldo di più di mille gradi Celsius vicino al lato positivo rispetto al resto del vetro, il che è stato molto sorprendente considerando che il vetro era totalmente omogeneo all'inizio, " dice Jain. "La causa di questo risultato è dimostrato essere nel cambiamento nella struttura e nella chimica del vetro su scala nanometrica dal campo elettrico stesso, che poi riscalda molto più fortemente questa nano-regione".

Jain afferma che l'applicazione della legge fisica di Joule classica deve essere riconsiderata attentamente e adattata per accogliere questi risultati.

Queste osservazioni svelano l'origine di un ammorbidimento del vetro indotto da un campo elettrico scoperto di recente. In un precedente documento, Jain e i suoi colleghi hanno riportato il fenomeno dell'addolcimento indotto dal campo elettrico. Hanno dimostrato che la temperatura di rammollimento del vetro riscaldato in una fornace può essere ridotta fino a un paio di centinaia di gradi Celsius semplicemente applicando 100 Volt su un campione spesso un pollice.

"I calcoli non tornavano per spiegare quello che stavamo vedendo come un semplice riscaldamento Joule standard, " dice Jain. "Anche in condizioni molto moderate, abbiamo osservato fumi di vetro che richiederebbero una temperatura di migliaia di gradi superiore a quella prevista dalla legge di Joule!"

Il team ha quindi intrapreso uno studio sistematico per monitorare la temperatura del vetro. Hanno usato pirometri a infrarossi ad alta risoluzione per mappare il profilo della temperatura dell'intero campione. Nuovi dati insieme alle loro precedenti osservazioni hanno mostrato che il campo elettrico ha modificato drasticamente il vetro e che hanno dovuto modificare il modo in cui può essere applicata la legge di Joule.

I ricercatori ritengono che questo lavoro dimostri che è possibile produrre calore in un bicchiere su una scala molto più fine rispetto ai metodi utilizzati finora, possibilmente su scala nanometrica. Permetterebbe quindi di realizzare nuove strutture e dispositivi ottici e altri complessi sulla superficie del vetro in modo più preciso di prima.

"Oltre a dimostrare la necessità di qualificare la legge di Joule, i risultati sono fondamentali per lo sviluppo di nuove tecnologie per la fabbricazione e la produzione di materiali in vetro e ceramica, "dice Giain.