En vej til fremtiden, belagt med keramik

Når du hører ordet "keramik, "du tænker måske på kruset, du lavede i keramikklassen, eller vaserne, der samler støv på din bedstemors hylde. Mens disse genstande består af keramik, de er kun en lille del af det større billede. Keramik bliver brugt i rustning, lasere, elektronik, udskiftning af tænder, og mere. De sikrer, at din computers bundkort kører problemfrit. De beskytter rumfærger, når de fleste andre materialer ville brænde op i atmosfæren. Med andre ord, keramik er overalt, og de er essentielle.

De kommer også med en pris. Forarbejdning af mange keramik kræver opvarmning af dem til temperaturer over 2, 000 grader Celsius i flere timer. Det er et betydeligt energiforbrug. På Carnegie Mellon University, B. Reeja Jayan arbejder på at løse dette problem med sin ukonventionelle strømkilde.

Jayan er adjunkt i maskinteknik og leder CMU's Far-from-Equilibrium Materials Laboratory. Hun undersøger brugen af ​​elektromagnetiske felter i keramikfremstilling, specifikt med hensyn til sintring og syntese. Sintring er den proces, hvor et porøst materiale, såsom ler, fortættes under tryk eller med varme. Hun redegjorde for den nye udvikling inden for dette forskningsområde i dækartiklen i januar 2019 af Journal of American Ceramic Society .

Avisen sporer sin oprindelse tilbage til en to-dages workshop afholdt på Carnegie Mellon i juni 2017, med titlen Electromagnetic Effects in Materials Synthesis. Workshoppen samlede forskere, der arbejdede inden for tre forskellige områder af feltassisteret materialesyntese. "Denne workshop var en god mulighed for at lære af hinanden, "hendes postdoc-forsker, Shikhar Jha, kommentarer. "Disse metoder - mikroovn, laser, og elektrisk felt - er meget forskellige fra hinanden, men vi håber at finde ud af et fælles tema for at relatere dem til en enkelt mekanisme."

På værkstedet, forskerne kæmpede med spørgsmålet om, hvorfor elektromagnetiske felter fremskynder sintringen. "Vi ønsker at se, om disse feltdrevne processer til sintring og syntese alle er termisk drevne, eller hvis feltet i sig selv fremkalder yderligere drivkraft, " siger Jayan. Med andre ord, giver marken bare ekstra varme, eller gør den noget helt andet?

Dette spørgsmål præsenterer unikke forskningsmuligheder. Ud over at gøre processen mere effektiv, forskere kan også behandle nye materialer med nye egenskaber. "Vi forventer ikke, at materialernes adfærd og egenskaber er identiske med, hvad de var, " siger Jayan. "Vi har fundet ud af, at de er anderledes, men vi ved ikke hvordan og deri ligger muligheder."

Imidlertid, der er flere forhindringer, der forhindrer deres fulde forståelse af processen, herunder de tilgængelige karakteriseringsværktøjer. "Du kan ikke bruge et termoelement til at måle det, "Jayan siger, "fordi feltet også vil interagere med termoelementet og give dig upålidelige data."

Et andet problem er processens dynamiske karakter. "Hvis du først måler materialets egenskaber og mikrostruktur bagefter, du ved ikke, hvad der skete i mellemfasen, " siger Jayan. På grund af dette, undersøgelser, der måler processer, mens de foregår, kaldet in situ undersøgelser, er blevet uvurderlige. Jayans gruppe arbejder sammen med National Laboratories for at bruge en synkrotronkilde, en type elektronaccelerator, at kaste lys over de mellemliggende trin af strukturelle ændringer under sådanne processer.

Den sidste udgave er en skala. Når du studerer sintring, "du skal være i stand til at forbinde og sy sammen alle længderne, " siger Jayan, "fra atomer helt op til store dele du kan holde i hænderne." For at forskere kan forstå de underliggende mekanismer, de skal udvikle karakteriserings- og modelleringsteknikker, der kan bestemme udviklingen af ​​strukturer over tid på forskellige skalaer.

Selvom udfordringerne kan virke skræmmende, resultatet ville være besværet værd. Hvis videnskabsmænd forstod de eksterne felters rolle i sintringsprocessen, de kunne fremskynde den teknologiske udvikling på en lang række områder, herunder fremstilling, lægemidler, elektronik, og ren energi. Allerede, deres indsats giver resultater. 20-timers tidsrammen "kommer ned til sekunder, " siger Jayan, "og temperaturen er på vej ned til et par hundrede grader. Det er en betydelig energibesparelse."

Jayan og hendes team håber, at deres papir vil tjene som en opfordring til handling for en ny generation af studerende og forskere. Mere end noget andet, det "handlede om at bringe et videnskløft til samfundet, " siger Jayan, "og fortæller dem:her er en mulighed. Lad os arbejde sammen."