Cuando escuche la palabra "cerámica, "puedes pensar en la taza que hiciste en la clase de cerámica o en los jarrones que acumulan polvo en el estante de tu abuela. Si bien estos objetos están hechos de cerámica, son solo una pequeña parte del panorama general. Las cerámicas se utilizan en armaduras, láseres electrónica, reemplazo de dientes, y más. Aseguran que la placa base de su computadora funcione sin problemas. Protegen los transbordadores espaciales cuando la mayoría de los otros materiales se queman en la atmósfera. En otras palabras, la cerámica está por todas partes, y son esenciales.

También vienen con un precio. El procesamiento de muchas cerámicas requiere calentarlas a temperaturas superiores a 2, 000 grados centígrados durante varias horas. Eso es un gasto significativo en energía. En la Universidad Carnegie Mellon, B. Reeja Jayan está trabajando para resolver este problema con su fuente de energía poco convencional.

Jayan es profesor asistente de ingeniería mecánica y dirige el Laboratorio de Materiales Lejos del Equilibrio de CMU. Ella está investigando el uso de campos electromagnéticos en la fabricación de cerámica, específicamente en lo que respecta a la sinterización y la síntesis. La sinterización es el proceso en el que un material poroso, como la arcilla, densifica bajo presión o con calor. Ella detalló los nuevos desarrollos en este campo de investigación en el artículo de portada de enero de 2019 de la Revista de la Sociedad Americana de Cerámica .

El artículo tiene sus orígenes en un taller de dos días celebrado en Carnegie Mellon en junio de 2017, titulado Efectos electromagnéticos en la síntesis de materiales. El taller reunió a científicos que trabajaban en tres áreas diferentes de síntesis de materiales asistida sobre el terreno. "Este taller fue una buena oportunidad para aprender unos de otros, "su investigador postdoctoral, Shikhar Jha, comentarios. "Estos métodos:microondas, láser, y campo eléctrico:son muy diferentes entre sí, pero esperamos encontrar un tema común para relacionarlos con un solo mecanismo ".

En el taller, los científicos se enfrentaron a la cuestión de por qué los campos electromagnéticos aceleran la sinterización. "Queremos ver si estos procesos de campo para sinterización y síntesis son impulsados ​​térmicamente, o si el campo en sí está induciendo una fuerza impulsora adicional, "Dice Jayan. En otras palabras, ¿El campo solo proporciona calor adicional? ¿O está haciendo algo completamente diferente?

Esta pregunta presenta oportunidades de investigación únicas. Además de hacer el proceso más eficiente, los investigadores también pueden procesar nuevos materiales con nuevas propiedades. "No esperamos que el comportamiento y las propiedades de los materiales sean idénticos a lo que eran, "Dice Jayan." Hemos descubierto que son diferentes, pero no sabemos como y ahí están las oportunidades ".

Sin embargo, existen varios obstáculos que impiden su plena comprensión del proceso, incluyendo las herramientas de caracterización disponibles. "No se puede utilizar un termopar para medirlo, "Jayan dice, "porque el campo también interactuará con el termopar y le proporcionará datos poco fiables".

Otro problema es la naturaleza dinámica del proceso. "Si solo mide las propiedades del material y la microestructura después, no sabes lo que pasó en la fase intermedia, "Jayan dice. Debido a esto, estudios que miden procesos a medida que ocurren, llamados estudios in situ, se han vuelto invaluables. El grupo de Jayan está trabajando con National Laboratories para usar una fuente de sincrotrón, un tipo de acelerador de electrones, para arrojar luz sobre los pasos intermedios de los cambios estructurales durante dichos procesos.

El problema final es de escala. Al estudiar la sinterización, "debe poder conectar y unir todas las escalas de longitud, "Jayan dice, "desde átomos hasta partes grandes que puede sostener en sus manos". Para que los científicos comprendan los mecanismos subyacentes, necesitan desarrollar técnicas de caracterización y modelado que puedan determinar la evolución de las estructuras a lo largo del tiempo a diferentes escalas.

Si bien los desafíos pueden parecer abrumadores, el resultado valdría la pena el esfuerzo. Si los científicos entendieran el papel de los campos externos en el proceso de sinterización, podrían acelerar el desarrollo tecnológico en una amplia gama de campos, incluida la fabricación, productos farmacéuticos, electrónica, y energía limpia. Ya, sus esfuerzos están dando resultados. El período de 20 horas "se reduce a segundos, "Jayan dice, "y la temperatura está bajando a unos pocos cientos de grados. Esto es un ahorro significativo de energía".

Jayan y su equipo esperan que su artículo sirva como un llamado a la acción para una nueva generación de estudiantes e investigadores. Más que nada, "se trataba de crear una brecha de conocimientos en la comunidad, "Jayan dice, "y decirles:aquí hay una oportunidad. Trabajemos juntos".