Quando você ouve a palavra "cerâmica, "você pode pensar na caneca que fez na aula de cerâmica ou nos vasos que acumulam poeira na prateleira da sua avó. Embora esses objetos sejam feitos de cerâmica, eles são apenas uma pequena parte do quadro geral. Cerâmica está sendo usada em armaduras, lasers, eletrônicos, substituição de dentes, e mais. Eles garantem que a placa-mãe do seu computador funcione perfeitamente. Eles protegem os ônibus espaciais quando a maioria dos outros materiais queimaria na atmosfera. Em outras palavras, cerâmicas estão por toda parte, e eles são essenciais.

Eles também têm um preço. O processamento de muitas cerâmicas requer aquecê-las a temperaturas acima de 2, 000 graus centígrados por várias horas. É um gasto significativo de energia. Na Carnegie Mellon University, B. Reeja Jayan está trabalhando para resolver esse problema com sua fonte de energia não convencional.

Jayan é professor assistente de engenharia mecânica e dirige o Laboratório de Materiais Distantes do Equilíbrio da CMU. Ela está investigando o uso de campos eletromagnéticos na fabricação de cerâmica, especificamente no que diz respeito à sinterização e síntese. A sinterização é o processo em que um material poroso, como argila, densifica sob pressão ou com calor. Ela detalhou os novos desenvolvimentos neste campo de pesquisa no artigo de capa de janeiro de 2019 do Jornal da American Ceramic Society .

O artigo remonta a um workshop de dois dias realizado na Carnegie Mellon em junho de 2017, intitulado Efeitos eletromagnéticos na síntese de materiais. O workshop reuniu cientistas que trabalham em três áreas diferentes de síntese de materiais assistida em campo. "Este workshop foi uma boa oportunidade para aprendermos uns com os outros, "seu pesquisador de pós-doutorado, Shikhar Jha, comentários. "Esses métodos - microondas, laser, e campo elétrico - são muito diferentes um do outro, mas esperamos descobrir um tema comum para relacioná-los a um único mecanismo. "

Na oficina, os cientistas lutaram com a questão de por que os campos eletromagnéticos aceleram a sinterização. "Queremos ver se esses processos conduzidos por campo para sinterização e síntese são todos conduzidos termicamente, ou se o próprio campo está induzindo força motriz adicional, "Jayan diz. Em outras palavras, é o campo apenas fornecendo calor extra, ou está fazendo algo totalmente diferente?

Esta questão apresenta oportunidades de pesquisa únicas. Além de tornar o processo mais eficiente, os pesquisadores também podem processar novos materiais com novas propriedades. "Não esperamos que o comportamento e as propriedades dos materiais sejam idênticos ao que eram, "Jayan diz." Descobrimos que eles são diferentes, mas não sabemos como, e aí estão as oportunidades. "

Contudo, existem vários obstáculos que impedem a sua compreensão total do processo, incluindo as ferramentas de caracterização disponíveis. "Você não pode usar um termopar para medi-lo, "Jayan diz, "porque o campo também irá interagir com o termopar e fornecer dados não confiáveis."

Outro problema é a natureza dinâmica do processo. "Se você só medir as propriedades do material e a microestrutura depois, você não sabe o que aconteceu na fase intermediária, "Jayan diz. Devido a isso, estudos que medem os processos à medida que estão acontecendo, chamados de estudos in situ, tornaram-se inestimáveis. O grupo de Jayan está trabalhando com os Laboratórios Nacionais para usar uma fonte síncrotron, um tipo de acelerador de elétrons, para lançar luz sobre as etapas intermediárias de mudanças estruturais durante esses processos.

A questão final é de escala. Ao estudar sinterização, "você precisa ser capaz de conectar e costurar todas as escalas de comprimento, "Jayan diz, "desde átomos até grandes partes que você pode segurar em suas mãos." Para que os cientistas entendam os mecanismos subjacentes, eles precisam desenvolver técnicas de caracterização e modelagem que possam determinar a evolução das estruturas ao longo do tempo em diferentes escalas.

Embora os desafios possam parecer assustadores, o resultado valeria o esforço. Se os cientistas entenderam o papel dos campos externos no processo de sinterização, eles podem acelerar o desenvolvimento tecnológico em uma ampla gama de campos, incluindo fabricação, farmacêuticos, eletrônicos, e energia limpa. Já, seus esforços estão produzindo resultados. O período de 20 horas "está caindo para segundos, "Jayan diz, "e a temperatura está caindo para algumas centenas de graus. Esta é uma economia significativa de energia."

Jayan e sua equipe esperam que seu artigo sirva como um apelo à ação para uma nova geração de estudantes e pesquisadores. Mais do que nada, era "trazer uma lacuna de conhecimento para a comunidade, "Jayan diz, "e dizendo a eles:aqui está uma oportunidade. Vamos trabalhar juntos."