p Os fornos de microondas são a base dos aparelhos de cozinha em nossas casas. Cinco anos atrás, quando Reeja Jayan era uma nova professora na Carnegie Mellon University, ela ficou intrigada com a ideia de usar microondas para cultivar materiais. Ela e outros pesquisadores demonstraram que a radiação de microondas permite a cristalização por temperatura e o crescimento de óxidos cerâmicos. Exatamente como as microondas faziam isso não era bem compreendido, e este mistério inspirou Jayan a reprojetar um forno de microondas de $ 30 para que pudesse investigar os efeitos da dinâmica da radiação de microondas no crescimento de materiais. p Hoje, Jayan, que agora é professor associado de engenharia mecânica, fez um grande avanço em nossa compreensão de como as microondas afetam a química dos materiais. Ela e seu aluno Nathan Nakamura expuseram óxido de estanho (uma cerâmica) a radiação de microondas de 2,45 GHz e descobriram como monitorar (in situ) mudanças estruturais atômicas à medida que ocorriam. Esta descoberta é importante porque ela demonstrou que as microondas afetaram a sub-rede de oxigênio do óxido de estanho por meio de distorções introduzidas na estrutura atômica local. Essas distorções não ocorrem durante a síntese de materiais convencionais (onde a energia é aplicada diretamente como calor).

p Ao contrário de estudos anteriores, que sofria da incapacidade de monitorar mudanças estruturais enquanto as microondas eram aplicadas, Jayan desenvolveu novas ferramentas (um reator de micro-ondas com design personalizado que permite o espalhamento de raios-X síncrotron in-situ) para estudar estes dinâmicos, mudanças impulsionadas pelo campo na estrutura atômica local à medida que acontecem. Ao revelar a dinâmica de como as microondas afetam ligações químicas específicas durante a síntese, Jayan está lançando as bases para materiais cerâmicos feitos sob medida com novos aparelhos eletrônicos, térmico, e propriedades mecânicas.

p "Assim que conhecermos a dinâmica, podemos usar esse conhecimento para fazer materiais que estão longe do equilíbrio, bem como conceber novos processos de eficiência energética para os materiais existentes, como impressão 3-D de cerâmica, "diz ela. A comercialização de manufatura aditiva de metais e plásticos é bastante difundida, mas o mesmo não pode ser dito para materiais cerâmicos. A impressão 3-D de cerâmicas pode promover indústrias que vão desde a saúde - imagine ossos artificiais e implantes dentários - até ferramentas industriais e eletrônicos - a cerâmica pode sobreviver a altas temperaturas que os metais não podem. Contudo, integrar materiais cerâmicos com as tecnologias de impressão 3D atuais é difícil porque as cerâmicas são frágeis, temperaturas ultra-altas são necessárias, e não entendemos como controlar suas propriedades durante os processos de impressão.

p As descobertas de Jayan foram derivadas de experimentos não convencionais que dependiam de uma combinação de ferramentas. Ela usou a análise de função de distribuição de par de raios-X (PDF) para fornecer em tempo real, informações estruturais in situ sobre o óxido de estanho quando exposto à radiação de microondas. Ela comparou esses resultados com o óxido de estanho que foi sintetizado sem exposição ao campo eletromagnético. As comparações revelaram que as microondas estavam influenciando a estrutura em escala atômica ao perturbar a sub-rede de oxigênio. "Fomos os primeiros a provar que as microondas criam essas interações localizadas, criando um método para observá-las ao vivo durante uma reação química, "diz Jayan.

p Esses experimentos foram extremamente difíceis de conduzir e exigiram um reator de micro-ondas customizado. (Isso representou uma atualização significativa em custo e engenharia em comparação com o forno doméstico original). O reator foi projetado em colaboração com Gerling Applied Engineering, e os experimentos foram conduzidos no Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (BNL). Dr. Sanjit Ghose e Dr. Jianming Bai, cientistas líderes do BNL, foram fundamentais para ajudar a equipe de Jayan a integrar o reator de microondas na linha de luz.

p "Outra conclusão desta pesquisa é que as microondas podem fazer mais do que apenas aquecer. Elas podem ter um efeito não térmico, que pode reorganizar a estrutura dos materiais como um quebra-cabeça, "diz Jayan. Com base neste conceito, ela está investigando como usar microondas para criar novos materiais.

p Os resultados da pesquisa de Jayan foram publicados no Journal of Materials Chemistry A , em "Análise da função de distribuição do par síncrotron in situ para monitorar vias sintéticas sob excitação eletromagnética." O jornal foi reconhecido como parte da edição 2020 Emerging Investigators da revista. O trabalho de Jayan foi apoiado por uma bolsa Young Investigator do Departamento de Defesa dos EUA, Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.