Los hornos de microondas son el pilar de los aparatos de cocina en nuestros hogares. Hace cinco años, cuando Reeja Jayan era un nuevo profesor en la Universidad Carnegie Mellon, le intrigaba la idea de utilizar microondas para cultivar materiales. Ella y otros investigadores habían demostrado que la radiación de microondas permitía la cristalización por temperatura y el crecimiento de óxidos cerámicos. No se entendía bien exactamente cómo lo hacían las microondas, y este misterio inspiró a Jayan a rediseñar un horno de microondas de $ 30 para poder investigar los efectos dinámicos de la radiación de microondas en el crecimiento de materiales.

Hoy dia, Jayan, que ahora es profesor asociado de ingeniería mecánica, ha logrado un gran avance en nuestra comprensión de cómo las microondas afectan la química de los materiales. Ella y su estudiante Nathan Nakamura expusieron óxido de estaño (una cerámica) a radiación de microondas de 2,45 GHz y descubrieron cómo monitorear (in situ) los cambios estructurales atómicos a medida que ocurrían. Este descubrimiento es importante porque demostró que las microondas afectaban la subred de oxígeno del óxido de estaño a través de distorsiones introducidas en la estructura atómica local. Tales distorsiones no ocurren durante la síntesis de materiales convencionales (donde la energía se aplica directamente como calor).

A diferencia de estudios anteriores, que sufría de la incapacidad de monitorear los cambios estructurales mientras se aplicaban las microondas, Jayan desarrolló herramientas novedosas (un reactor de microondas de diseño personalizado que permite la dispersión de rayos X de sincrotrón in situ) para estudiar estas dinámicas, cambios impulsados ​​por el campo en la estructura atómica local a medida que ocurren. Al revelar la dinámica de cómo las microondas afectan enlaces químicos específicos durante la síntesis, Jayan está sentando las bases para materiales cerámicos hechos a medida con nuevos componentes electrónicos, térmico, y propiedades mecánicas.

"Una vez que conocemos la dinámica, Podemos utilizar este conocimiento para fabricar materiales que están lejos del equilibrio, así como para diseñar nuevos procesos energéticamente eficientes para materiales existentes. como la impresión 3D de cerámica, ", dice. La comercialización de la fabricación aditiva de metales y plásticos está muy extendida, pero no se puede decir lo mismo de los materiales cerámicos. La impresión 3-D de cerámica podría hacer avanzar industrias que van desde la atención médica, imagínese huesos artificiales e implantes dentales, hasta herramientas industriales y electrónica, la cerámica puede sobrevivir a altas temperaturas que los metales no pueden. Sin embargo, La integración de materiales cerámicos con las tecnologías de impresión 3D actuales es difícil porque las cerámicas son frágiles, se requieren temperaturas ultra altas, y no sabemos cómo controlar sus propiedades durante los procesos de impresión.

Los hallazgos de Jayan se derivaron de experimentos no convencionales que se basaron en una combinación de herramientas. Usó el análisis de la función de distribución de pares de rayos X (PDF) para proporcionar información en tiempo real, información estructural in situ sobre el óxido de estaño expuesto a la radiación de microondas. Ella comparó estos resultados con el óxido de estaño que se sintetizó sin exposición a campos electromagnéticos. Las comparaciones revelaron que las microondas estaban influyendo en la estructura de escala atómica al alterar la subred de oxígeno. "Fuimos los primeros en demostrar que las microondas crean interacciones tan localizadas al diseñar un método para verlas en vivo durante una reacción química, "dice Jayan.

Estos experimentos fueron extremadamente difíciles de realizar y requirieron un reactor de microondas hecho a medida. (Esto representó una mejora significativa en costos e ingeniería en comparación con el horno doméstico original). El reactor fue diseñado en colaboración con Gerling Applied Engineering, y los experimentos se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (BNL). Dr. Sanjit Ghose y Dr. Jianming Bai, científicos líderes en BNL, fueron fundamentales para ayudar al equipo de Jayan a integrar el reactor de microondas en la línea de luz.

"Otra conclusión de esta investigación es que las microondas pueden hacer más que solo calentar. Pueden tener un efecto no térmico, que puede reorganizar la estructura de los materiales como un rompecabezas, ", dice Jayan. Sobre la base de este concepto, ella está investigando cómo usar microondas para diseñar nuevos materiales.

Los resultados de la investigación de Jayan se publicaron en la Revista de Química de Materiales A , en "Análisis in situ de la función de distribución de pares de sincrotrón para monitorear rutas sintéticas bajo excitación electromagnética". El artículo fue reconocido como parte de la edición 2020 de investigadores emergentes de la revista. El trabajo de Jayan fue apoyado por una beca para Jóvenes Investigadores del Departamento de Defensa de EE. UU. Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.