När du hör ordet "keramik, "du kanske tänker på muggen du gjorde i keramikklassen eller vaserna som samlade damm på din mormors hylla. Medan dessa föremål består av keramik, de är bara en liten del av den större bilden. Keramik används i rustning, lasrar, elektronik, byte av tänder, och mer. De säkerställer att datorns moderkort fungerar smidigt. De skyddar rymdfärjor när de flesta andra material skulle brinna upp i atmosfären. Med andra ord, keramik finns överallt, och de är viktiga.

De kommer också med ett pris. Bearbetning av många keramik kräver uppvärmning till temperaturer över 2, 000 grader Celsius i flera timmar. Det är en betydande energisatsning. Vid Carnegie Mellon University, B. Reeja Jayan arbetar med att lösa detta problem med sin okonventionella maktkälla.

Jayan är biträdande professor i maskinteknik och leder CMU:s Far-from-Equilibrium Materials Laboratory. Hon undersöker användningen av elektromagnetiska fält vid tillverkning av keramik, specifikt när det gäller sintring och syntes. Sintring är processen där ett poröst material, som lera, förtätas under tryck eller med värme. Hon redogjorde för den nya utvecklingen inom detta forskningsområde i omslagsartikeln från januari 2019 Journal of the American Ceramic Society .

Tidningen spårar sitt ursprung tillbaka till en tvådagars workshop som hölls i Carnegie Mellon i juni 2017, med titeln Elektromagnetiska effekter i materialsyntes. Workshopen samlade forskare som arbetar inom tre olika områden av fältassisterad materialsyntes. "Denna workshop var ett bra tillfälle att lära av varandra, "hennes postdoktor, Shikhar Jha, kommentarer. "Dessa metoder - mikrovågsugn, laser, och elektriska fält - är väldigt olika från varandra, men vi hoppas kunna hitta ett gemensamt tema för att relatera dem till en enda mekanism. "

På verkstaden, forskarna ställde sig frågan om varför elektromagnetiska fält påskyndar sintringen. "Vi vill se om dessa fältdrivna processer för sintring och syntes alla är termiskt drivna, eller om fältet själv framkallar ytterligare drivkraft, "Säger Jayan. Med andra ord, ger fältet bara extra värme, eller gör det något helt annat?

Denna fråga ger unika forskningsmöjligheter. Förutom att göra processen mer effektiv, forskare kan också bearbeta nya material med nya egenskaper. "Vi förväntar oss inte att beteendet och egenskaperna hos material ska vara identiska med vad de var, "Säger Jayan." Vi har funnit att de är annorlunda, men vi vet inte hur, och däri ligger möjligheter. "

Dock, det finns flera hinder som hindrar deras fulla förståelse av processen, inklusive de tillgängliga karaktäriseringsverktygen. "Du kan inte använda ett termoelement för att mäta det, "Jayan säger, "eftersom fältet också kommer att interagera med termoelementet och ge dig opålitlig data."

En annan fråga är processens dynamiska karaktär. "Om du bara mäter materialegenskaperna och mikrostrukturen efteråt, du vet inte vad som hände i mellanfasen, "Säger Jayan. På grund av detta, studier som mäter processer när de sker, kallade in situ -studier, blivit ovärderliga. Jayans grupp arbetar med National Laboratories för att använda en synkrotronkälla, en typ av elektronaccelerator, att belysa de mellanliggande stegen i strukturella förändringar under sådana processer.

Den sista frågan är en skala. När man studerar sintring, "du måste kunna ansluta och sy ihop alla längdskalor, "Jayan säger, "från atomer ända upp till stora delar du kan hålla i dina händer." För att forskare ska förstå de bakomliggande mekanismerna, de behöver utveckla karaktäriserings- och modelleringstekniker som kan bestämma utvecklingen av strukturer över tid i olika skalor.

Även om utmaningarna kan verka skrämmande, resultatet skulle vara värt ansträngningen. Om forskare förstod de yttre fältens roll i sintringsprocessen, de kan påskynda den tekniska utvecklingen inom ett brett spektrum av områden, inklusive tillverkning, läkemedel, elektronik, och ren energi. Redan, deras ansträngningar ger resultat. 20-timmars tidsramen "kommer ner till sekunder, "Jayan säger, "och temperaturen sjunker till några hundra grader. Detta är en betydande energibesparing."

Jayan och hennes team hoppas att deras uppsats kommer att fungera som en uppmaning till handling för en ny generation studenter och forskare. Mer än någonting, det "handlade om att föra en kunskapslucka till samhället, "Jayan säger, "och säger till dem:här är en möjlighet. Låt oss arbeta tillsammans."