Mikroovn nye materialer

Mikrobølgeovne er grundpillen i madlavningsapparater i vores hjem. Fem år siden, da Reeja Jayan var ny professor ved Carnegie Mellon University, hun var fascineret af ideen om at bruge mikrobølger til at dyrke materialer. Hun og andre forskere havde vist, at mikrobølgestråling muliggjorde temperaturkrystallisering og vækst af keramiske oxider. Præcis hvordan mikrobølger gjorde dette var ikke godt forstået, og dette mysterium inspirerede Jayan til at omkonstruere en mikrobølgeovn til $30, så hun kunne undersøge dynamikkens virkninger af mikrobølgestråling på væksten af ​​materialer.

I dag, Jayan, som nu er lektor i maskinteknik, har fået et gennembrud i vores forståelse af, hvordan mikrobølger påvirker materialekemi. Hun og hendes elev Nathan Nakamura udsatte tinoxid (et keramik) for 2,45 GHz mikrobølgestråling og fandt ud af, hvordan man overvåger (in situ) atomare strukturelle ændringer, efterhånden som de opstod. Denne opdagelse er vigtig, fordi hun påviste, at mikrobølger påvirkede tinoxidets iltundergitter via forvrængninger indført i den lokale atomstruktur. Sådanne forvrængninger forekommer ikke under konventionel materialesyntese (hvor energi tilføres direkte som varme).

I modsætning til tidligere undersøgelser, som led af manglende evne til at overvåge strukturelle ændringer, mens mikrobølgerne blev anvendt, Jayan udviklede nye værktøjer (en specialdesignet mikrobølgereaktor, der muliggør in-situ synkrotron røntgenspredning) til at studere disse dynamiske, feltdrevne ændringer i lokal atomstruktur, efterhånden som de sker. Ved at afsløre dynamikken i, hvordan mikrobølger påvirker specifikke kemiske bindinger under syntesen, Jayan lægger grunden til skræddersyede keramiske materialer med ny elektronisk, termisk, og mekaniske egenskaber.

"Når vi kender dynamikken, vi kan bruge denne viden til at lave materialer, der er langt væk fra ligevægt, samt udtænke nye energieffektive processer for eksisterende materialer, såsom 3-D print af keramik, " siger hun. Kommercialiseringen af ​​additiv fremstilling af metaller og plast er udbredt, men det samme kan ikke siges om keramiske materialer. 3-D-print af keramik kan fremme industrier lige fra sundhedspleje – forestil dig kunstige knogler og tandimplantater – til industrielt værktøj og elektronik – keramik kan overleve høje temperaturer, som metaller ikke kan. Imidlertid, det er vanskeligt at integrere keramiske materialer med nutidens 3D-printteknologier, fordi keramik er skørt, ultrahøje temperaturer er påkrævet, og vi forstår ikke, hvordan man kontrollerer deres egenskaber under udskrivningsprocesser.

Jayans resultater blev afledt af ukonventionelle eksperimenter, der var afhængige af en kombination af værktøjer. Hun brugte X-ray Pair Distribution Function (PDF) analyse til at give realtid, in situ strukturel information om tinoxid, da det blev udsat for mikrobølgestråling. Hun sammenlignede disse resultater med tinoxid, der blev syntetiseret uden eksponering for elektromagnetiske felter. Sammenligningerne afslørede, at mikrobølgerne påvirkede strukturen på atomare skala ved at forstyrre iltundergitteret. "Vi var de første til at bevise, at mikrobølger skaber sådanne lokaliserede interaktioner ved at udtænke en metode til at se dem live under en kemisk reaktion, " siger Jayan.

Disse eksperimenter var ekstremt vanskelige at udføre og krævede en specialbygget mikrobølgereaktor. (Dette repræsenterede en betydelig opgradering af omkostninger og teknik sammenlignet med den originale husholdningsovn). Reaktoren er designet i samarbejde med Gerling Applied Engineering, og eksperimenterne blev udført ved US Department of Energy Brookhaven National Laboratory (BNL). Dr. Sanjit Ghose og Dr. Jianming Bai, ledende videnskabsmænd ved BNL, var medvirkende til at hjælpe Jayans team med at integrere mikrobølgereaktoren i beamline.

"En anden mulighed for denne forskning er, at mikrobølger kan mere end blot at opvarme. De kan have en ikke-termisk effekt, som kan omarrangere strukturen af ​​materialer som et puslespil, " siger Jayan. Bygger på dette koncept, hun undersøger, hvordan man bruger mikrobølger til at konstruere nye materialer.

Resultaterne af Jayans forskning blev offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A , i "In situ synkrotronparfordelingsfunktionsanalyse for at overvåge syntetiske veje under elektromagnetisk excitation." Papiret blev anerkendt som en del af 2020 Emerging Investigators Issue af tidsskriftet. Jayans arbejde blev støttet af en Young Investigator-bevilling fra det amerikanske forsvarsministerium, Luftvåbnets kontor for videnskabelig forskning.