Att karakterisera och förutsäga hur elektriskt uppvärmt silikatglas beter sig är viktigt eftersom det används i en mängd olika enheter som driver tekniska innovationer. Silikatglas används på skärmar. Glasfibrer driver internet. Nanoskala glasenheter används för att tillhandahålla banbrytande medicinska behandlingar som riktad läkemedelsleverans och återväxande vävnad.

Upptäckten att elektriskt uppvärmt silikatglas under vissa förhållanden trotsar en sedan länge accepterad fysiklag känd som Joules första lag borde vara av intresse för ett brett spektrum av forskare, ingenjörer, även allmänheten, enligt Himanshu Jain, Diamond Distinguished Chair för institutionen för materialvetenskap och teknik vid Lehigh University.

Grunden till elektrisk uppvärmning lades av James Prescott Joule, en engelsk fysiker och matematiker, år 1840. Joule visade att värme genereras när elektrisk ström passerar genom ett motstånd. Hans slutsats, känd som Joules första lag, säger helt enkelt att värme produceras i proportion till kvadraten av en elektrisk ström som passerar genom ett material.

"Det har verifierats om och om igen på homogena metaller och halvledare som värms upp jämnt, som en glödlampa gör, säger Jain.

Han och hans kollegor - som inkluderar Nicholas J. Smith och Craig Kopatz, båda Corning Incorporated, liksom Charles T. McLaren, en tidigare doktorand student av Jain's, nu en forskare vid Corning - har författat en uppsats som publicerades idag i Vetenskapliga rapporter som beskriver deras upptäckt att elektriskt uppvärmda vanliga, homogena silikatglas verkar trotsa Joules första lag.

I tidningen, med titeln "Utveckling av mycket inhomogen temperaturprofil inom elektriskt uppvärmda alkalisilikatglas, "författarna skriver:" Till skillnad från elektroniskt ledande metaller och halvledare, med tiden blir uppvärmningen av joniskt ledande glas extremt inhomogen med bildandet av en nanoskala alkaliföroreningsregion, så att glaset smälter nära anoden, även avdunstar, samtidigt som den är fast någon annanstans. In situ infraröd bildhantering och ändlig elementanalys bekräftar lokaliserade temperaturer mer än tusen grader över det återstående provet beroende på om fältet är DC eller AC. "

"I våra experiment, glaset blev mer än tusen grader Celsius varmare nära den positiva sidan än i resten av glaset, vilket var mycket överraskande med tanke på att glaset var helt homogent till att börja med, "säger Jain." Orsaken till detta resultat visar sig vara förändringen i glasets struktur och kemi på nanoskala av det elektriska fältet självt, som sedan värmer upp denna nanoregion mycket starkare."

Jain säger att tillämpningen av den klassiska Joules fysiklag måste omprövas noggrant och anpassas för att tillgodose dessa fynd.

Dessa observationer reder ut ursprunget till ett nyligen upptäckt elektriskt fält inducerad mjukning av glas. I en tidigare uppsats, Jain och hans kollegor rapporterade fenomenet Electric Field Induced Softening. De visade att mjukningstemperaturen för glas som värms upp i en ugn kan reduceras med så mycket som ett par hundra grader Celsius helt enkelt genom att applicera 100 volt över ett tum tjockt prov.

"Beräkningarna gick inte ihop för att förklara vad vi såg som helt enkelt standard Joule -uppvärmning, " säger Jain. "Även under mycket måttliga förhållanden, vi observerade ångor av glas som skulle kräva tusentals grader högre temperatur än Joules lag kunde förutsäga! "

Teamet genomförde sedan en systematisk studie för att övervaka glasets temperatur. De använde högupplösta infraröda pyrometrar för att kartlägga temperaturprofilen för hela provet. Nya data tillsammans med deras tidigare observationer visade att det elektriska fältet modifierade glaset dramatiskt och att de var tvungna att modifiera hur Joules lag kan tillämpas.

Forskarna tror att detta arbete visar att det är möjligt att producera värme i ett glas i mycket finare skala än med de metoder som hittills använts, möjligen ner till nanoskalan. Det skulle då göra det möjligt att göra nya optiska och andra komplexa strukturer och anordningar på glasytan mer exakt än tidigare.

"Förutom att visa behovet av att kvalificera Joules lag, resultaten är avgörande för att utveckla ny teknik för tillverkning och tillverkning av glas och keramiska material, säger Jain.