Es importante caracterizar y predecir cómo se comporta el vidrio de silicato calentado eléctricamente porque se utiliza en una variedad de dispositivos que impulsan innovaciones técnicas. El vidrio de silicato se utiliza en pantallas de visualización. Las fibras de vidrio alimentan internet. Los dispositivos de vidrio a nanoescala se están implementando para proporcionar tratamientos médicos innovadores, como la administración selectiva de fármacos y el recrecimiento del tejido.

Gorilla Glass, la tecnologia protectora que usa la mayoría de los smartphones, Es una delgada lámina transparente de alta resistencia fabricada a partir de una combinación álcali-aluminosilicato

El descubrimiento de que bajo ciertas condiciones el vidrio de silicato calentado eléctricamente desafía una ley de la física aceptada desde hace mucho tiempo conocida como la primera ley de Joule debería ser de interés para un amplio espectro de científicos, ingenieros e incluso el público en general, según Himanshu Jain, Presidente Distinguido de Diamante del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Lehigh.

James Prescott Joule, físico y matemático inglés, sentó las bases de la calefacción eléctrica en 1840. Joule demostró que el calor se genera cuando la corriente eléctrica pasa a través de una resistencia. Su conclusión, conocida como la primera ley de Joule, simplemente establece que el calor se produce en proporción al cuadrado de una corriente eléctrica que pasa a través de un material.

Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor​​ debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan.

Se ha verificado una y otra vez sobre metales y semiconductores homogéneos que se calientan uniformemente, como hace una bombilla incandescente”, dice Jain.

Él y sus colegas, que incluyen a Nicholas J. Smith y Craig Kopatz, ambos de Corning Incorporated, así como a Charles T. McLaren, ex Ph.D. El estudiante de Jain, ahora investigador en Corning, es el autor de un artículo publicado en Scientific Reports que detalla su descubrimiento de que los vidrios de silicato homogéneos comunes y calentados eléctricamente parecen desafiar la primera ley de Joule.

En el artículo, titulado “Desarrollo de un perfil de temperatura altamente inhomogéneo dentro de vidrios de silicato alcalino calentados eléctricamente”, los autores escriben: “A diferencia de los metales y semiconductores conductores electrónicos, con el tiempo el calentamiento del vidrio conductor iónico se vuelve extremadamente inhomogéneo con la formación de un álcali a nanoescala – en la región de agotamiento, de manera que el vidrio se derrite cerca del ánodo, incluso se evapora, mientras permanece sólido en otros lugares. La imagen de infrarrojos in situ muestra y el análisis de elementos finitos confirma las temperaturas localizadas más de mil grados por encima de la muestra restante, dependiendo de si el campo es DC o AC . “

Serie de imágenes infrarrojas de NS con 200 V aplicadas en horno  H = 320 ° C, capturadas del video en ( a ) inicio de fuga térmica (a 41 s), ( b ) calentamiento localizado durante EFIS (a 43 s), ( c ) descarga del ánodo después del calentamiento intenso (a 45 s) y ( d ) ablandamiento de vidrio localizado (a 54 s). Nota: el ánodo se encuentra en la parte superior de la muestra y la escala de temperatura varía de 250 ° C a 1300 ° C.

“En nuestros experimentos, el vidrio se calentó más de mil grados centígrados cerca del lado positivo que en el resto del vidrio, lo cual fue muy sorprendente, ya que para empezar, el vidrio era totalmente homogéneo, dice Jain. “Se demuestra que la causa de este resultado está en el cambio en la estructura y la química del vidrio en nanoescala por el propio campo eléctrico, que luego calienta esta nano-región con mucha más fuerza”.

Jain dice que la aplicación de la ley de física clásica de Joule debe reconsiderarse con cuidado y adaptarse para adaptarse a estos hallazgos.

Estas observaciones revelan el origen de un ablandamiento del vidrio inducido por un campo eléctrico recientemente descubierto. En un artículo anterior, Jain y sus colegas informaron sobre el fenómeno del ablandamiento inducido por campo eléctrico. Demostraron que la temperatura de reblandecimiento del vidrio calentado en un horno puede reducirse hasta en un par de cientos de grados Celsius simplemente aplicando 100 voltios a través de una muestra de una pulgada de espesor.

Imágenes IR de NS con 150 V aplicadas en corriente continua a ( a ) tiempo de ejecución = 2069.4 sy horno T  = 353.5 ° C y ( b ) tiempo de ejecución = 2108.5 sy horno T  = 363.6 ° C. Nota: la escala de color no se actualizó, pero el píxel más caliente se identifica con la lectura de la temperatura de la superficie.

Los cálculos no se sumaron para explicar lo que estábamos viendo simplemente como calentamiento estándar de Joule”, dice Jain. “Incluso en condiciones muy moderadas, observamos humos de vidrio que requerirían una temperatura miles de grados más alta de lo que la ley de Joule podría predecir”.

El equipo emprendió un estudio sistemático para controlar la temperatura del vidrio. Utilizaron pirómetros infrarrojos de alta resolución para trazar el perfil de temperatura de toda la muestra. Los nuevos datos, junto con sus observaciones anteriores, mostraron que el campo eléctrico modificó el vidrio dramáticamente y que tuvieron que modificar cómo se puede aplicar la ley de Joule.

Los investigadores creen que este trabajo muestra que es posible producir calor en un vidrio en una escala mucho más fina que con los métodos utilizados hasta ahora, posiblemente hasta la nanoescala. Entonces permitiría hacer nuevas estructuras y dispositivos ópticos y otros complejos en la superficie de vidrio de manera más precisa que antes.

“Además de demostrar la necesidad de calificar la ley de Joule, los resultados son fundamentales para el desarrollo de nuevas tecnologías para la fabricación y fabricación de materiales de vidrio y cerámica, dice Jain.

Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por la Universidad de Lehigh . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y duración.
Traducción directa de:
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190226112410.htm


Jhonnattan Rivera Rivera

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