Quand vous entendez le mot "céramique, " vous pensez peut-être à la tasse que vous avez fabriquée en cours de poterie ou aux vases qui ramassent la poussière sur l'étagère de votre grand-mère. Alors que ces objets sont constitués de céramique, ils ne sont qu'une petite partie du tableau d'ensemble. La céramique est utilisée dans les armures, laser, électronique, remplacement des dents, et plus. Ils garantissent le bon fonctionnement de la carte mère de votre ordinateur. Ils protègent les navettes spatiales lorsque la plupart des autres matériaux brûleraient dans l'atmosphère. En d'autres termes, la céramique est partout, et ils sont essentiels.

Ils viennent aussi avec un prix. Le traitement de nombreuses céramiques nécessite de les chauffer jusqu'à des températures supérieures à 2, 000 degrés centigrades pendant plusieurs heures. C'est une dépense importante en énergie. À l'Université Carnegie Mellon, B. Reeja Jayan s'efforce de résoudre ce problème avec sa source d'énergie non conventionnelle.

Jayan est professeur adjoint en génie mécanique et dirige le laboratoire des matériaux éloignés de l'équilibre de la CMU. Elle étudie l'utilisation des champs électromagnétiques dans la fabrication de céramiques, en particulier en ce qui concerne le frittage et la synthèse. Le frittage est le processus par lequel un matériau poreux, comme l'argile, se densifie sous pression ou à la chaleur. Elle a détaillé les nouveaux développements dans ce domaine de recherche dans l'article de couverture de janvier 2019 du Journal de l'American Ceramic Society .

L'article remonte à un atelier de deux jours organisé à Carnegie Mellon en juin 2017, intitulé Effets électromagnétiques dans la synthèse des matériaux. L'atelier a réuni des scientifiques travaillant dans trois domaines différents de la synthèse de matériaux assistée sur le terrain. "Cet atelier a été une bonne occasion d'apprendre les uns des autres, " son chercheur postdoctoral, Shikhar Jha, commentaires. "Ces méthodes—micro-ondes, laser, et le champ électrique - sont très différents les uns des autres, mais nous espérons trouver un thème commun pour les relier à un seul mécanisme."

A l'atelier, les scientifiques se sont penchés sur la question de savoir pourquoi les champs électromagnétiques accélèrent le frittage. "Nous voulons voir si ces processus de frittage et de synthèse pilotés par le terrain sont tous thermiquement pilotés, ou si le champ lui-même induit une force motrice supplémentaire, " dit Jayan. En d'autres termes, le champ ne fournit-il que de la chaleur supplémentaire, ou fait-il tout autre chose ?

Cette question présente des opportunités de recherche uniques. En plus de rendre le processus plus efficace, les chercheurs peuvent également traiter de nouveaux matériaux avec de nouvelles propriétés. "Nous ne nous attendons pas à ce que le comportement et les propriétés des matériaux soient identiques à ce qu'ils étaient, " dit Jayan. " Nous les avons trouvés différents, mais on ne sait pas comment, et c'est là que se trouvent les opportunités."

Cependant, plusieurs obstacles empêchent leur pleine compréhension du processus, y compris les outils de caractérisation disponibles. "Vous ne pouvez pas utiliser un thermocouple pour le mesurer, " Jayan dit, "parce que le champ interagira également avec le thermocouple et vous donnera des données peu fiables."

Un autre problème est la nature dynamique du processus. "Si vous ne mesurez les propriétés du matériau et la microstructure qu'après, vous ne savez pas ce qui s'est passé dans la phase intermédiaire, " dit Jayan. Pour cette raison, des études qui mesurent les processus au fur et à mesure qu'ils se produisent, appelées études in situ, sont devenus inestimables. Le groupe de Jayan travaille avec les laboratoires nationaux pour utiliser une source synchrotron, une sorte d'accélérateur d'électrons, pour faire la lumière sur les étapes intermédiaires des changements structurels au cours de tels processus.

Le dernier problème est celui de l'échelle. Lors de l'étude du frittage, "il faut pouvoir connecter et assembler toutes les échelles de longueur, " Jayan dit, "des atomes jusqu'aux grandes pièces que vous pouvez tenir dans vos mains." Pour que les scientifiques comprennent les mécanismes sous-jacents, ils doivent développer des techniques de caractérisation et de modélisation permettant de déterminer l'évolution des structures dans le temps à différentes échelles.

Bien que les défis puissent sembler intimidants, le résultat en vaudrait la peine. Si les scientifiques comprenaient le rôle des champs externes dans le processus de frittage, ils pourraient accélérer le développement technologique dans un large éventail de domaines, y compris la fabrication, médicaments, électronique, et de l'énergie propre. Déjà, leurs efforts portent leurs fruits. Le délai de 20 heures "se réduit à quelques secondes, " Jayan dit, "et la température descend à quelques centaines de degrés. C'est une économie d'énergie significative."

Jayan et son équipe espèrent que leur article servira d'appel à l'action pour une nouvelle génération d'étudiants et de chercheurs. Plus que tout, il « s'agissait d'apporter un manque de connaissances à la communauté, " Jayan dit, "et leur dire :voici une opportunité. Travaillons ensemble."