Caractériser et prédire le comportement du verre de silicate chauffé électriquement est important car il est utilisé dans une variété de dispositifs qui stimulent les innovations techniques. Le verre au silicate est utilisé dans les écrans d'affichage. Les fibres de verre alimentent Internet. Des dispositifs en verre à l'échelle nanométrique sont déployés pour fournir des traitements médicaux révolutionnaires tels que l'administration ciblée de médicaments et la repousse des tissus.

La découverte que, dans certaines conditions, le verre de silicate chauffé électriquement défie une loi de la physique acceptée de longue date, connue sous le nom de première loi de Joule, devrait intéresser un large éventail de scientifiques, ingénieurs, même le grand public, selon Himanshu Jain, Diamond Distinguished Chair du Département de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université Lehigh.

La fondation du chauffage électrique a été posée par James Prescott Joule, un physicien et mathématicien anglais, en 1840. Joule a démontré que la chaleur est générée lorsque le courant électrique est passé à travers une résistance. Sa conclusion, connue sous le nom de première loi de Joule, indique simplement que la chaleur est produite proportionnellement au carré d'un courant électrique qui traverse un matériau.

"Il a été vérifié à maintes reprises sur des métaux homogènes et des semi-conducteurs qui chauffent uniformément, comme le fait une ampoule à incandescence, " dit Jaïn.

Lui et ses collègues, dont Nicholas J. Smith et Craig Kopatz, toutes deux de Corning Incorporated, ainsi que Charles T. McLaren, un ancien Ph.D. élève de Jain, maintenant chercheur à Corning - ont écrit un article publié aujourd'hui dans Rapports scientifiques qui détaille leur découverte que commun chauffé électriquement, les verres silicatés homogènes semblent défier la première loi de Joule.

Dans le journal, intitulé "Développement d'un profil de température hautement hétérogène dans des verres de silicate alcalin chauffés électriquement, " les auteurs écrivent :" Contrairement aux métaux et semi-conducteurs à conduction électronique, avec le temps, le chauffage du verre à conduction ionique devient extrêmement hétérogène avec la formation d'une région d'appauvrissement alcalin à l'échelle nanométrique, tel que le verre fond près de l'anode, s'évapore même, tout en restant solide ailleurs. L'imagerie infrarouge in situ montre et l'analyse par éléments finis confirme des températures localisées de plus de mille degrés au-dessus de l'échantillon restant selon que le champ est DC ou AC. »

« Dans nos expériences, le verre est devenu plus de mille degrés Celsius plus chaud près du côté positif que dans le reste du verre, ce qui était très surprenant étant donné que le verre était totalement homogène au départ, " dit Jain. " La cause de ce résultat se trouve dans le changement de la structure et de la chimie du verre à l'échelle nanométrique par le champ électrique lui-même, qui chauffe alors beaucoup plus fortement cette nano-région."

Jain dit que l'application de la loi physique de Joule classique doit être reconsidérée avec soin et adaptée pour tenir compte de ces découvertes.

Ces observations révèlent l'origine d'un ramollissement du verre induit par un champ électrique récemment découvert. Dans un article précédent, Jain et ses collègues ont signalé le phénomène d'adoucissement induit par champ électrique. Ils ont démontré que la température de ramollissement du verre chauffé dans un four peut être réduite de quelques centaines de degrés Celsius simplement en appliquant 100 volts sur un échantillon d'un pouce d'épaisseur.

"Les calculs ne suffisaient pas à expliquer ce que nous considérions comme un simple chauffage Joule standard, " dit Jain. " Même dans des conditions très modérées, nous avons observé des fumées de verre qui nécessiteraient des milliers de degrés de température supérieure à ce que la loi de Joule pouvait prédire !"

L'équipe a ensuite entrepris une étude systématique pour surveiller la température du verre. Ils ont utilisé des pyromètres infrarouges à haute résolution pour cartographier le profil de température de l'ensemble de l'échantillon. De nouvelles données ainsi que leurs observations précédentes ont montré que le champ électrique modifiait considérablement le verre et qu'ils devaient modifier la façon dont la loi de Joule peut être appliquée.

Les chercheurs pensent que ce travail montre qu'il est possible de produire de la chaleur dans un verre à une échelle beaucoup plus fine que par les méthodes utilisées jusqu'à présent, peut-être jusqu'à l'échelle nanométrique. Cela permettrait alors de fabriquer de nouvelles structures et dispositifs optiques et autres complexes sur la surface du verre avec plus de précision qu'auparavant.

« En plus de démontrer la nécessité de nuancer la loi de Joule, les résultats sont essentiels au développement de nouvelles technologies pour la fabrication et la fabrication de matériaux en verre et en céramique, " dit Jaïn.