science >> Wetenschap >  >> Chemie

Een weg naar de toekomst, geplaveid met keramiek

Reeja Jayan en haar onderzoeksteam onderzoeken hoe elektromagnetische velden de fabricage van keramiek versnellen, het vinden van zowel uitdagingen als een groot potentieel. Krediet:College of Engineering, Carnegie Mellon Universiteit

Als je het woord "keramiek, "Je denkt misschien aan de mok die je in de pottenbakkersklas hebt gemaakt of de vazen ​​die stof verzamelen op de plank van je grootmoeder. Hoewel deze voorwerpen van keramiek zijn, ze zijn slechts een klein deel van het grotere geheel. Keramiek wordt gebruikt in harnassen, lasers, elektronica, tanden vervangen, en meer. Ze zorgen ervoor dat het moederbord van je computer soepel draait. Ze beschermen spaceshuttles wanneer de meeste andere materialen in de atmosfeer zouden verbranden. Met andere woorden, keramiek is overal, en ze zijn essentieel.

Ze komen ook met een prijs. Om veel keramiek te verwerken, moet het worden verwarmd tot temperaturen boven de 2, 000 graden Celsius gedurende enkele uren. Dat is een aanzienlijke energie-uitgave. Aan de Carnegie Mellon-universiteit, B. Reeja Jayan probeert dit probleem op te lossen met haar onconventionele krachtbron.

Jayan is een assistent-professor in werktuigbouwkunde en leidt CMU's Far-from-Equilibrium Materials Laboratory. Ze doet onderzoek naar het gebruik van elektromagnetische velden bij de fabricage van keramiek, specifiek met betrekking tot sinteren en synthese. Sinteren is het proces waarbij een poreus materiaal, zoals klei, verdicht onder druk of met warmte. Ze heeft de nieuwe ontwikkelingen op dit onderzoeksgebied gedetailleerd beschreven in het omslagartikel van januari 2019 van de Tijdschrift van de American Ceramic Society .

Het papier vindt zijn oorsprong in een tweedaagse workshop in Carnegie Mellon in juni 2017, getiteld Elektromagnetische effecten in materiaalsynthese. De workshop verzamelde wetenschappers die werkzaam waren in drie verschillende gebieden van veldondersteunde materiaalsynthese. "Deze workshop was een goede gelegenheid om van elkaar te leren, " haar postdoctoraal onderzoeker, Shikhar Jha, opmerkingen. "Deze methoden - magnetron, laser, en elektrisch veld - zijn zeer verschillend van elkaar, maar we hopen een gemeenschappelijk thema te vinden om ze te relateren aan een enkel mechanisme."

In de werkplaats, de wetenschappers worstelden met de vraag waarom elektromagnetische velden het sinteren versnellen. "We willen zien of deze veldgestuurde processen voor sinteren en synthese allemaal thermisch worden aangedreven, of als het veld zelf een extra drijvende kracht opwekt, "zegt Jayan. Met andere woorden, geeft het veld alleen maar extra warmte, of doet het iets heel anders?

Deze vraag biedt unieke onderzoeksmogelijkheden. Naast het efficiënter maken van het proces, onderzoekers kunnen ook nieuwe materialen met nieuwe eigenschappen verwerken. "We verwachten niet dat het gedrag en de eigenschappen van materialen identiek zijn aan wat ze waren, "zegt Jayan. "We hebben ontdekt dat ze anders zijn, maar we weten niet hoe, en daarin liggen kansen."

Echter, er zijn verschillende obstakels die hun volledig begrip van het proces in de weg staan, inclusief de beschikbare karakteriseringsinstrumenten. "Je kunt geen thermokoppel gebruiken om het te meten, "Jayan zegt, "omdat het veld ook zal interageren met het thermokoppel en je onbetrouwbare gegevens zal geven."

Een ander probleem is het dynamische karakter van het proces. “Als je de materiaaleigenschappen en microstructuur pas achteraf meet, je weet niet wat er in de tussenfase is gebeurd, " zegt Jayan. Hierdoor, studies die processen meten terwijl ze plaatsvinden, zogenaamde in-situ studies, zijn van onschatbare waarde geworden. Jayans groep werkt samen met National Laboratories om een ​​synchrotronbron te gebruiken, een soort elektronenversneller, om licht te werpen op de tussenstappen van structurele veranderingen tijdens dergelijke processen.

Het laatste probleem is er een van schaal. Bij het bestuderen van sinteren, "je moet alle lengteschalen kunnen verbinden en aan elkaar kunnen naaien, "Jayan zegt, "van atomen tot grote delen die je in je handen kunt houden." Om wetenschappers de onderliggende mechanismen te laten begrijpen, ze moeten karakteriserings- en modelleringstechnieken ontwikkelen die de evolutie van structuren in de loop van de tijd op verschillende schalen kunnen bepalen.

Hoewel de uitdagingen misschien ontmoedigend lijken, het resultaat zou de moeite waard zijn. Als wetenschappers de rol van externe velden in het sinterproces begrepen, ze zouden de technologische ontwikkeling op een groot aantal gebieden kunnen versnellen, inclusief fabricage, geneesmiddelen, elektronica, en schone energie. Nu al, hun inspanningen leveren resultaat op. Het tijdsbestek van 20 uur "komt neer op seconden, "Jayan zegt, "en de temperatuur zakt naar een paar honderd graden. Dat is een flinke energiebesparing."

Jayan en haar team hopen dat hun paper een oproep tot actie zal zijn voor een nieuwe generatie studenten en onderzoekers. Meer dan wat dan ook, het "was over het brengen van een kenniskloof naar de gemeenschap, "Jayan zegt, "en hen vertellen:hier is een kans. Laten we samenwerken."