Caracterizar y predecir cómo se comporta el vidrio de silicato calentado eléctricamente es importante porque se utiliza en una variedad de dispositivos que impulsan las innovaciones técnicas. El vidrio de silicato se utiliza en pantallas de visualización. Las fibras de vidrio alimentan Internet. Se están implementando dispositivos de vidrio a nanoescala para proporcionar tratamientos médicos innovadores, como la administración de fármacos dirigida y el rebrote de tejidos.

El descubrimiento de que, en determinadas condiciones, el vidrio de silicato calentado eléctricamente desafía una ley de la física aceptada desde hace mucho tiempo conocida como la primera ley de Joule debería ser de interés para un amplio espectro de científicos. ingenieros incluso el público en general, según Himanshu Jain, Director Distinguido Diamond del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Lehigh.

La base de la calefacción eléctrica fue puesta por James Prescott Joule, un físico y matemático inglés, en 1840. Joule demostró que se genera calor cuando se pasa corriente eléctrica a través de una resistencia. Su conclusión, conocida como la primera ley de Joule, simplemente establece que el calor se produce en proporción al cuadrado de una corriente eléctrica que pasa a través de un material.

"Se ha verificado una y otra vez en metales y semiconductores homogéneos que se calientan uniformemente, como lo hace una bombilla incandescente, "dice Jain.

Él y sus colegas, que incluyen a Nicholas J. Smith y Craig Kopatz, ambos de Corning Incorporated, así como Charles T. McLaren, un ex Ph.D. estudiante de Jain, ahora investigador de Corning, he escrito un artículo publicado hoy en Informes científicos que detalla su descubrimiento de que el común calentado eléctricamente, Los vidrios de silicato homogéneos parecen desafiar la primera ley de Joule.

En el papel, titulado "Desarrollo de un perfil de temperatura altamente heterogéneo dentro de vidrios de silicato alcalino calentados eléctricamente, ", escriben los autores:" A diferencia de los metales y semiconductores conductores electrónicos, con el tiempo, el calentamiento del vidrio conductor iónico se vuelve extremadamente heterogéneo con la formación de una región de agotamiento de álcalis a nanoescala, tal que el vidrio se derrita cerca del ánodo, incluso se evapora, mientras permanece sólido en otros lugares. Las imágenes infrarrojas in situ muestran y el análisis de elementos finitos confirma temperaturas localizadas más de mil grados por encima de la muestra restante, dependiendo de si el campo es CC o CA ".

"En nuestros experimentos, el vidrio se volvió más de mil grados centígrados más caliente cerca del lado positivo que en el resto del vidrio, lo cual fue muy sorprendente considerando que el vidrio era totalmente homogéneo para empezar, "dice Jain." La causa de este resultado se muestra en el cambio en la estructura y la química del vidrio a nanoescala por el campo eléctrico mismo, que luego calienta esta nano-región con mucha más fuerza ".

Jain dice que la aplicación de la ley clásica de la física de Joule debe reconsiderarse cuidadosamente y adaptarse para acomodar estos hallazgos.

Estas observaciones desentrañan el origen de un ablandamiento del vidrio inducido por un campo eléctrico descubierto recientemente. En un artículo anterior, Jain y sus colegas informaron sobre el fenómeno del ablandamiento inducido por campos eléctricos. Demostraron que la temperatura de ablandamiento del vidrio calentado en un horno se puede reducir hasta en un par de cientos de grados Celsius simplemente aplicando 100 voltios en una muestra de una pulgada de espesor.

"Los cálculos no cuadraron para explicar lo que veíamos como un simple calentamiento Joule estándar, "dice Jain." Incluso en condiciones muy moderadas, observamos vapores de vidrio que requerirían miles de grados más de temperatura de lo que podría predecir la ley de Joule ".

Luego, el equipo llevó a cabo un estudio sistemático para controlar la temperatura del vidrio. Utilizaron pirómetros infrarrojos de alta resolución para trazar el perfil de temperatura de toda la muestra. Los nuevos datos, junto con sus observaciones anteriores, mostraron que el campo eléctrico modificó el vidrio drásticamente y que tuvieron que modificar la forma en que se puede aplicar la ley de Joule.

Los investigadores creen que este trabajo muestra que es posible producir calor en un vaso en una escala mucho más fina que con los métodos utilizados hasta ahora. posiblemente hasta la nanoescala. Entonces permitiría hacer nuevas estructuras y dispositivos ópticos y otros complejos en la superficie del vidrio con mayor precisión que antes.

"Además de demostrar la necesidad de calificar la ley de Joule, los resultados son fundamentales para el desarrollo de nuevas tecnologías para la fabricación y fabricación de materiales de vidrio y cerámica, "dice Jain.