Les fours à micro-ondes sont le pilier des appareils de cuisson dans nos maisons. Il y a cinq ans, lorsque Reeja Jayan était un nouveau professeur à l'Université Carnegie Mellon, elle était intriguée par l'idée d'utiliser des micro-ondes pour faire pousser des matériaux. Elle et d'autres chercheurs avaient montré que le rayonnement micro-ondes permettait la cristallisation à température et la croissance des oxydes céramiques. La manière exacte dont les micro-ondes faisaient cela n'était pas bien comprise, et ce mystère a inspiré Jayan pour reconcevoir un four à micro-ondes de 30 $ afin qu'elle puisse étudier les effets dynamiques du rayonnement micro-ondes sur la croissance des matériaux.

Aujourd'hui, Jayan, qui est maintenant professeur agrégé de génie mécanique, a fait une percée dans notre compréhension de la façon dont les micro-ondes affectent la chimie des matériaux. Elle et son étudiant Nathan Nakamura ont exposé de l'oxyde d'étain (une céramique) à un rayonnement micro-ondes de 2,45 GHz et ont découvert comment surveiller (in situ) les changements structurels atomiques au fur et à mesure qu'ils se produisaient. Cette découverte est importante car elle a démontré que les micro-ondes affectaient le sous-réseau d'oxygène de l'oxyde d'étain via des distorsions introduites dans la structure atomique locale. De telles distorsions ne se produisent pas lors de la synthèse de matériaux conventionnels (où l'énergie est directement appliquée sous forme de chaleur).

Contrairement aux études antérieures, qui souffrait de l'incapacité de surveiller les changements structurels pendant que les micro-ondes étaient appliquées, Jayan a développé de nouveaux outils (un réacteur à micro-ondes conçu sur mesure permettant la diffusion des rayons X synchrotron in situ) pour étudier ces dynamiques, changements induits par le champ dans la structure atomique locale au fur et à mesure qu'ils se produisent. En révélant la dynamique de la façon dont les micro-ondes affectent des liaisons chimiques spécifiques au cours de la synthèse, Jayan jette les bases de matériaux céramiques sur mesure avec de nouveaux appareils électroniques, thermique, et propriétés mécaniques.

« Une fois que nous connaissons la dynamique, nous pouvons utiliser ces connaissances pour fabriquer des matériaux éloignés de l'équilibre ainsi que pour concevoir de nouveaux procédés économes en énergie pour les matériaux existants, telles que l'impression 3D de céramiques, " dit-elle. La commercialisation de la fabrication additive des métaux et des plastiques est généralisée, mais on ne peut pas en dire autant des matériaux céramiques. L'impression 3D de céramiques pourrait faire progresser des secteurs allant des soins de santé - imaginez des os artificiels et des implants dentaires - à l'outillage industriel et à l'électronique - les céramiques peuvent survivre à des températures élevées que les métaux ne peuvent pas. Cependant, l'intégration des matériaux céramiques avec les technologies d'impression 3D d'aujourd'hui est difficile car les céramiques sont fragiles, des températures ultra-élevées sont nécessaires, et nous ne comprenons pas comment contrôler leurs propriétés pendant les processus d'impression.

Les découvertes de Jayan ont été dérivées d'expériences non conventionnelles qui reposaient sur une combinaison d'outils. Elle a utilisé l'analyse de la fonction de distribution de paires de rayons X (PDF) pour fournir en temps réel, informations structurelles in situ sur l'oxyde d'étain lorsqu'il était exposé à un rayonnement micro-ondes. Elle a comparé ces résultats à l'oxyde d'étain qui a été synthétisé sans exposition à un champ électromagnétique. Les comparaisons ont révélé que les micro-ondes influençaient la structure à l'échelle atomique en perturbant le sous-réseau d'oxygène. "Nous avons été les premiers à prouver que les micro-ondes créent de telles interactions localisées en concevant une méthode pour les regarder en direct pendant une réaction chimique, " dit Jayan.

Ces expériences étaient extrêmement difficiles à mener et nécessitaient un réacteur à micro-ondes sur mesure. (Cela représentait une amélioration significative du coût et de l'ingénierie par rapport au four domestique d'origine). Le réacteur a été conçu en collaboration avec Gerling Applied Engineering, et les expériences ont été menées au Laboratoire national de Brookhaven (BNL) du département américain de l'Énergie. Dr Sanjit Ghose et Dr Jianming Bai, scientifiques principaux au BNL, ont contribué à aider l'équipe de Jayan à intégrer le réacteur à micro-ondes dans la ligne de lumière.

"Un autre point à retenir de cette recherche est que les micro-ondes peuvent faire plus que simplement chauffer. Ils peuvent avoir un effet non thermique, qui peut réorganiser la structure des matériaux comme un puzzle, " dit Jayan. En s'appuyant sur ce concept, elle étudie comment utiliser les micro-ondes pour concevoir de nouveaux matériaux.

Les résultats des recherches de Jayan ont été publiés dans le Journal de la chimie des matériaux A , dans "Analyse de la fonction de distribution de paires synchrotron in situ pour surveiller les voies synthétiques sous excitation électromagnétique." L'article a été reconnu dans le cadre du numéro 2020 des chercheurs émergents de la revue. Le travail de Jayan a été soutenu par une subvention de jeune chercheur du département américain de la Défense, Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air.