Микроволновые печи распространены на кухнях в домах — гораздо чаще, чем в лабораториях. Пять лет назад, когда Риджа Джаян была новым профессором Университета Карнеги-Меллона, она заинтересовалась идеей использования микроволн для выращивания материалов. Вместе с другими исследователями ученая продемонстрировала, что микроволновое излучение способствует температурной кристаллизации и росту керамических оксидов.

Было непонятно, как именно это делают микроволны, и эта загадка вдохновила Джаян на реинжиниринг микроволновой печи за $30, чтобы она могла исследовать динамические эффекты микроволнового излучения на рост материалов. О новой работе сообщает Journal of Materials Chemistry.

Сегодня Джаян, которая сейчас является доцентом кафедры машиностроения, совершила прорыв в нашем понимании того, как микроволны влияют на химию материалов. Она и ее ученик Натан Накамура подвергли оксид олова (керамику) микроволновому излучению с частотой 2,45 ГГц и выяснили, как отслеживать (in situ) структурные изменения атома по мере их возникновения. В итоге ученые продемонстрировали, что микроволны влияют на кислородную подрешетку оксида олова через искажения, вносимые в локальную атомную структуру. Такие искажения не возникают при синтезе обычных материалов, где энергия непосредственно применяется в виде тепла.

В отличие от предыдущих исследователей, которые страдали от невозможности отслеживать структурные изменения во время применения микроволн, Джаян разработала новые инструменты для изучения этих динамических, управляемых полем изменений в локальной атомной структуре. Она создала специально разработанный микроволновый реактор, обеспечивающий синхротронное рассеяние рентгеновских лучей на месте. Выявив динамику того, как микроволны влияют на конкретные химические связи во время синтеза, Джаян закладывает основу для создания керамических материалов с новыми электронными, тепловыми и механическими свойствами.

Как только мы узнаем динамику, сможем использовать эти знания для изготовления материалов, далеких от равновесия, а также для разработки новых энергоэффективных процессов для существующих материалов, таких как трехмерная печать керамики. Коммерциализация аддитивного производства металлов и пластмасс широко распространена, но этого нельзя сказать о керамических материалах. Трехмерная печать керамики может продвинуть вперед отрасли, начиная от здравоохранения. Представьте себе искусственные кости и зубные имплантаты — до промышленных инструментов и электроники. Керамика способна выдерживать высокие температуры, в отличие от металлов. Однако интеграция керамических материалов с современными технологиями трехмерной печати затруднена, потому что керамика хрупкая, требуются сверхвысокие температуры, и мы не понимаем, как контролировать их свойства в процессе печати, – Риджа Джаян, профессор Университета Карнеги-Меллона.

Выводы Джаян были получены в результате нетрадиционных экспериментов, в которых использовалась комбинация инструментов. Она использовала анализ функции распределения пар рентгеновских лучей (PDF), чтобы предоставить в реальном времени структурную информацию об оксиде олова, когда он подвергался воздействию микроволнового излучения. Ученая сравнила эти результаты с оксидом олова, который был синтезирован без воздействия электромагнитного поля. Сравнение показало, что микроволны влияют на структуру атомного масштаба, нарушая кислородную подрешетку.

«Мы были первыми, кто доказал, что микроволны создают такие локальные взаимодействия, разработав метод, позволяющий наблюдать за ними вживую во время химической реакции», — говорит Джаян.

Эти эксперименты было чрезвычайно сложно провести, и для них требовался специальный микроволновый реактор. Он был разработан в сотрудничестве с Gerling Applied Engineering, а эксперименты проводились в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) Министерства энергетики США.

«Еще один вывод из этого исследования заключается в том, что микроволны могут делать больше, чем просто нагрев. Они могут иметь нетепловой эффект, который может изменять структуру материалов, как мозаика», — говорит Джаян.

Основываясь на этой концепции, она исследует, как использовать микроволны для создания новых материалов.