Mikrovågsugnar är grunden för matlagningsapparater i våra hem. Fem år sedan, när Reeja Jayan var ny professor vid Carnegie Mellon University, hon var fascinerad av idén att använda mikrovågor för att odla material. Hon och andra forskare hade visat att mikrovågsstrålning möjliggjorde temperaturkristallisering och tillväxt av keramiska oxider. Exakt hur mikrovågor gjorde detta var inte väl förstått, och detta mysterium inspirerade Jayan att omkonstruera en mikrovågsugn för $30 så att hon kunde undersöka dynamikens effekter av mikrovågsstrålning på tillväxten av material.

I dag, Jayan, som nu är docent i maskinteknik, har gjort ett genombrott i vår förståelse av hur mikrovågor påverkar materialkemin. Hon och hennes elev Nathan Nakamura exponerade tennoxid (en keramik) för 2,45 GHz mikrovågsstrålning och kom på hur man övervakar (in situ) atomära strukturella förändringar när de inträffade. Denna upptäckt är viktig eftersom hon visade att mikrovågor påverkade tennoxidens syresubgitter via förvrängningar som introducerades i den lokala atomstrukturen. Sådana förvrängningar uppstår inte under konventionell materialsyntes (där energi direkt appliceras som värme).

Till skillnad från tidigare studier, som led av oförmågan att övervaka strukturella förändringar medan mikrovågorna användes, Jayan utvecklade nya verktyg (en specialdesignad mikrovågsreaktor som möjliggör in-situ synkrotronröntgenspridning) för att studera dessa dynamiska, fältdrivna förändringar i lokal atomstruktur när de inträffar. Genom att avslöja dynamiken i hur mikrovågor påverkar specifika kemiska bindningar under syntesen, Jayan lägger grunden för skräddarsydda keramiska material med ny elektronisk, termisk, och mekaniska egenskaper.

"När vi väl känner till dynamiken, vi kan använda denna kunskap för att tillverka material som är långt borta från jämvikt samt utveckla nya energieffektiva processer för befintliga material, som 3D-utskrift av keramik, " säger hon. Kommersialiseringen av additiv tillverkning av metaller och plaster är utbredd, men detsamma kan inte sägas om keramiska material. 3D-utskrift av keramik kan främja branscher som sträcker sig från hälsovård – tänk konstgjorda ben och tandimplantat – till industriella verktyg och elektronik – keramik kan överleva höga temperaturer som metaller inte kan. Dock, det är svårt att integrera keramiska material med dagens 3D-utskriftsteknik eftersom keramik är spröd, ultrahöga temperaturer krävs, och vi förstår inte hur man kontrollerar deras egenskaper under tryckprocesser.

Jayans fynd härrörde från okonventionella experiment som förlitade sig på en kombination av verktyg. Hon använde röntgenparfördelningsfunktion (PDF) analys för att ge realtid, in situ strukturell information om tennoxid när den exponerades för mikrovågsstrålning. Hon jämförde dessa resultat med tennoxid som syntetiserades utan exponering för elektromagnetiska fält. Jämförelserna avslöjade att mikrovågorna påverkade strukturen i atomär skala genom att störa syresubgitteret. "Vi var de första som bevisade att mikrovågor skapar sådana lokaliserade interaktioner genom att utarbeta en metod för att se dem live under en kemisk reaktion, säger Jayan.

Dessa experiment var extremt svåra att genomföra och krävde en specialbyggd mikrovågsreaktor. (Detta representerade en betydande uppgradering av kostnader och konstruktion jämfört med den ursprungliga hushållsugnen). Reaktorn designades i samarbete med Gerling Applied Engineering, och experimenten utfördes vid US Department of Energy Brookhaven National Laboratory (BNL). Dr Sanjit Ghose och Dr Jianming Bai, ledande forskare vid BNL, var avgörande för att hjälpa Jayans team att integrera mikrovågsreaktorn i strållinjen.

"En annan aspekt av denna forskning är att mikrovågor kan göra mer än att bara värma. De kan ha en icke-termisk effekt, som kan ordna om strukturen av material som ett pussel, säger Jayan. Bygger på detta koncept, hon undersöker hur man använder mikrovågor för att konstruera nya material.

Resultaten av Jayans forskning publicerades i Journal of Materials Chemistry A , i "In situ synkrotronparfördelningsfunktionsanalys för att övervaka syntetiska vägar under elektromagnetisk excitation." Tidningen erkändes som en del av 2020 Emerging Investigators Issue av tidskriften. Jayans arbete stöddes av ett Young Investigator-anslag från det amerikanska försvarsdepartementet, Flygvapnets kontor för vetenskaplig forskning.