Karakteriseren en voorspellen hoe elektrisch verwarmd silicaatglas zich gedraagt, is belangrijk omdat het wordt gebruikt in een verscheidenheid aan apparaten die technische innovaties stimuleren. Silicaatglas wordt gebruikt in beeldschermen. Glasvezels voeden het internet. Glazen apparaten op nanoschaal worden ingezet om baanbrekende medische behandelingen te bieden, zoals gerichte toediening van medicijnen en het opnieuw laten groeien van weefsel.

De ontdekking dat elektrisch verwarmd silicaatglas onder bepaalde omstandigheden een lang aanvaarde natuurkundige wet tart die bekend staat als de eerste wet van Joule, zou interessant moeten zijn voor een breed spectrum van wetenschappers, ingenieurs, zelfs het grote publiek, volgens Himanshu Jain, Diamond Distinguished Chair van de afdeling Materials Science and Engineering aan de Lehigh University.

De basis van elektrische verwarming werd gelegd door James Prescott Joule, een Engelse natuurkundige en wiskundige, in 1840. Joule toonde aan dat warmte wordt gegenereerd wanneer elektrische stroom door een weerstand wordt geleid. Zijn conclusie, bekend als de eerste wet van Joule, stelt eenvoudigweg dat warmte wordt geproduceerd in verhouding tot het kwadraat van een elektrische stroom die door een materiaal gaat.

"Het is keer op keer geverifieerd op homogene metalen en halfgeleiders die gelijkmatig opwarmen, zoals een gloeilamp doet, ' zegt Jaïn.

Hij en zijn collega's, waaronder Nicholas J. Smith en Craig Kopatz, beide van Corning Incorporated, evenals Charles T. McLaren, een voormalig Ph.D. student van Jain, nu een onderzoeker bij Corning - hebben een paper geschreven dat vandaag is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten dat beschrijft hun ontdekking dat elektrisch verwarmde gewone, homogene silicaatglazen lijken de eerste wet van Joule te trotseren.

In de krant, getiteld "Ontwikkeling van een zeer inhomogeen temperatuurprofiel binnen elektrisch verwarmde alkalisilicaatglazen, " schrijven de auteurs:"In tegenstelling tot elektronisch geleidende metalen en halfgeleiders, na verloop van tijd wordt de verwarming van ionisch geleidend glas extreem inhomogeen met de vorming van een alkali-uitputtingsgebied op nanoschaal, zodat het glas bij de anode smelt, verdampt zelfs, terwijl ze elders solide blijven. In situ infraroodbeeldvorming toont en eindige-elementenanalyse bevestigt gelokaliseerde temperaturen meer dan duizend graden boven het resterende monster, afhankelijk van of het veld gelijkstroom of wisselstroom is."

"Bij onze experimenten het glas werd meer dan duizend graden Celsius heter aan de positieve kant dan in de rest van het glas, wat zeer verrassend was, aangezien het glas om te beginnen volledig homogeen was, ", zegt Jain. "De oorzaak van dit resultaat blijkt te liggen in de verandering in de structuur en chemie van glas op nanoschaal door het elektrische veld zelf, die dit nanogebied dan veel sterker opwarmt."

Jain zegt dat de toepassing van de klassieke natuurkundewet van Joule zorgvuldig moet worden heroverwogen en aangepast om aan deze bevindingen tegemoet te komen.

Deze waarnemingen ontrafelen de oorsprong van een recent ontdekt door een elektrisch veld veroorzaakte verzachting van glas. In een eerdere krant Jain en zijn collega's rapporteerden het fenomeen Electric Field Induced Softening. Ze toonden aan dat de verwekingstemperatuur van glas dat in een oven wordt verwarmd, met maar liefst een paar honderd graden Celsius kan worden verlaagd door simpelweg 100 Volt over een monster van een centimeter dik aan te brengen.

"De berekeningen klopten niet om uit te leggen wat we zagen als gewoon standaard Joule-verwarming, ", zegt Jain. "Zelfs onder zeer gematigde omstandigheden, we hebben glasdampen waargenomen waarvoor een temperatuur van duizenden graden hoger zou zijn dan de wet van Joule kon voorspellen!"

Het team voerde vervolgens een systematische studie uit om de temperatuur van glas te bewaken. Ze gebruikten infraroodpyrometers met hoge resolutie om het temperatuurprofiel van het hele monster in kaart te brengen. Nieuwe gegevens samen met hun eerdere waarnemingen toonden aan dat het elektrische veld het glas drastisch veranderde en dat ze moesten aanpassen hoe de wet van Joule kan worden toegepast.

De onderzoekers geloven dat dit werk aantoont dat het mogelijk is om warmte in een glas te produceren op een veel fijnere schaal dan met de tot nu toe gebruikte methoden, mogelijk tot op nanoschaal. Het zou het dan mogelijk maken om nieuwe optische en andere complexe structuren en apparaten op een glasoppervlak nauwkeuriger dan voorheen te maken.

"Naast het aantonen van de noodzaak om de wet van Joule te kwalificeren, de resultaten zijn van cruciaal belang voor de ontwikkeling van nieuwe technologie voor de fabricage en productie van glas- en keramische materialen, ' zegt Jaïn.