Magnetronovens zijn de steunpilaar van kooktoestellen in onze huizen. Vijf jaar geleden, toen Reeja Jayan een nieuwe professor was aan de Carnegie Mellon University, ze was geïntrigeerd door het idee om microgolven te gebruiken om materialen te kweken. Zij en andere onderzoekers hadden aangetoond dat microgolfstraling temperatuurkristallisatie en groei van keramische oxiden mogelijk maakte. Hoe microgolven dit precies deden, werd niet goed begrepen, en dit mysterie inspireerde Jayan om een ​​magnetronoven van $ 30 opnieuw te ontwerpen, zodat ze de dynamische effecten van microgolfstraling op de groei van materialen kon onderzoeken.

Vandaag, Jayan, die nu universitair hoofddocent werktuigbouwkunde is, heeft een doorbraak bereikt in ons begrip van hoe microgolven de materiaalchemie beïnvloeden. Zij en haar student Nathan Nakamura stelden tinoxide (een keramiek) bloot aan 2,45 GHz microgolfstraling en ontdekten hoe ze (in situ) atomaire structurele veranderingen konden volgen terwijl ze zich voordeden. Deze ontdekking is belangrijk omdat ze aantoonde dat microgolven het zuurstofsubrooster van het tinoxide beïnvloedden via vervormingen die in de lokale atomaire structuur werden geïntroduceerd. Dergelijke vervormingen treden niet op tijdens de synthese van conventionele materialen (waar energie direct als warmte wordt toegepast).

In tegenstelling tot eerdere onderzoeken, die leed aan het onvermogen om structurele veranderingen te volgen terwijl de microgolven werden toegepast, Jayan ontwikkelde nieuwe instrumenten (een speciaal ontworpen microgolfreactor die in-situ synchrotron röntgenverstrooiing mogelijk maakt) om deze dynamische, veldgestuurde veranderingen in de lokale atomaire structuur terwijl ze zich voordoen. Door de dynamiek te onthullen van hoe microgolven specifieke chemische bindingen beïnvloeden tijdens de synthese, Jayan legt de basis voor op maat gemaakte keramische materialen met nieuwe elektronische, thermisch, en mechanische eigenschappen.

"Zodra we de dynamiek kennen, we kunnen deze kennis gebruiken om materialen te maken die ver van evenwicht zijn en om nieuwe energie-efficiënte processen te bedenken voor bestaande materialen, zoals 3D-printen van keramiek, " zegt ze. De commercialisering van additive manufacturing van metalen en kunststoffen is wijdverbreid, maar hetzelfde kan niet gezegd worden van keramische materialen. 3D-printen van keramiek zou industrieën vooruit kunnen helpen, variërend van gezondheidszorg - denk aan kunstmatige botten en tandheelkundige implantaten - tot industriële gereedschappen en elektronica - keramiek kan hoge temperaturen overleven die metalen niet kunnen. Echter, het integreren van keramische materialen met de huidige 3D-printtechnologieën is moeilijk omdat keramiek broos is, ultrahoge temperaturen zijn vereist, en we begrijpen niet hoe we hun eigenschappen tijdens drukprocessen kunnen controleren.

Jayans bevindingen waren afgeleid van onconventionele experimenten die gebaseerd waren op een combinatie van tools. Ze gebruikte X-ray pair Distribution Function (PDF)-analyse om realtime, in situ structurele informatie over tinoxide terwijl het werd blootgesteld aan microgolfstraling. Ze vergeleek deze resultaten met tinoxide dat werd gesynthetiseerd zonder blootstelling aan elektromagnetische velden. Uit de vergelijkingen bleek dat de microgolven de structuur op atomaire schaal beïnvloedden door het zuurstofsubrooster te verstoren. "We waren de eersten die bewezen dat microgolven zulke gelokaliseerde interacties creëren door een methode te bedenken om ze live te bekijken tijdens een chemische reactie, ' zegt Jayan.

Deze experimenten waren buitengewoon moeilijk uit te voeren en vereisten een op maat gemaakte microgolfreactor. (Dit betekende een aanzienlijke upgrade in kosten en techniek in vergelijking met de originele huishoudelijke oven). De reactor is ontworpen in samenwerking met Gerling Applied Engineering, en de experimenten werden uitgevoerd in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie (BNL). Dr. Sanjit Ghose en Dr. Jianming Bai, hoofdwetenschappers bij BNL, waren behulpzaam bij het helpen van Jayan's team om de microgolfreactor in de bundellijn te integreren.

"Een andere conclusie van dit onderzoek is dat microgolven meer kunnen dan alleen verwarmen. Ze kunnen een niet-thermisch effect hebben, die de structuur van materialen kan herschikken zoals een legpuzzel, ", zegt Jayan. Voortbouwend op dit concept, ze onderzoekt hoe ze microgolven kan gebruiken om nieuwe materialen te ontwikkelen.

De resultaten van Jayans onderzoek zijn gepubliceerd in de Journal of Materials Chemistry A , in "In situ synchrotron-paarverdelingsfunctie-analyse om synthetische routes onder elektromagnetische excitatie te volgen." Het papier werd erkend als onderdeel van de 2020 Emerging Investigators Issue van het tijdschrift. Jayans werk werd ondersteund door een Young Investigator-beurs van het Amerikaanse ministerie van Defensie, Luchtmachtbureau voor wetenschappelijk onderzoek.