Основная цель исследования обмена, проведенного Маклареном в Марбурге, заключалась в том, чтобы узнать больше о сложном процессе, включающем превращения в стекле, которые происходят в интенсивных электрических и тепловых условиях. Новое понимание этих механизмов может проложить путь к более энергоэффективному производству стекла и даже стеклянных суперконденсаторов, которые значительно превзойдут характеристики батарей, используемых в настоящее время для электромобилей и солнечной энергии.
«Эта технология актуальна для компаний, которые ищут новую волну портативных и надежных источников энергии», — сказал Химаншу Джайн, советник McLaren, заслуженный председатель кафедры материаловедения и инженерии Т. Л. Даймонд в Lehigh и директор Международного института материалов для новых функций в стекле. «Прорыв в использовании стекла для хранения энергии может дать толчок потоку инноваций в транспортном и энергетическом секторах и даже поддержать усилия по сдерживанию глобального потепления».В рамках своего докторского исследования Макларен обнаружил, что приложение поля постоянного тока к стеклу снижает его температуру плавления. В своих экспериментах они помещали стеклянный блок между катодом и анодом, а затем оказывали постоянное давление на стекло, постепенно нагревая его. Макларен и Джейн вместе с коллегами из Университета Колорадо опубликовали свое открытие в журнале Applied Physics Letters.
Выводы были интригующими. В дополнение к тому, чтобы сделать состав стекла жизнеспособным при более низких температурах и снизить потребность в энергии, дизайнеры, использующие электрический ток в производстве стекла, будут иметь инструмент, позволяющий делать точные манипуляции, невозможные только с использованием тепла.«Например, вы можете сделать маску для стекла и наложить электрическое поле микронного масштаба», — сказал Джайн. «Это позволит вам деформировать стекло с высокой точностью и смягчить его гораздо более избирательно, чем с помощью тепла, которое распространяется по всему стеклу».Хотя Макларен и Джейн изолировали это явление и определили, как подобрать переменные для получения оптимальных результатов, они еще не полностью поняли механизмы, лежащие в основе этого.
Макларен и Джейн следили за работой доктора Бернарда Ролинга из Марбургского университета, который обнаружил некоторые замечательные характеристики стекла с помощью электротермического полирования, метода, в котором используются как температурные манипуляции, так и электрический ток для создания заряда в обычно инертном состоянии. стакан. Этот процесс придает стеклу полезные оптические и даже биоактивные свойства.
Ролинг пригласил Макларена провести семестр в Марбурге, чтобы проанализировать поведение стекла при электротермическом полировании, чтобы увидеть, откроет ли оно больше о фундаментальной науке, лежащей в основе того, что Макларен и Джейн наблюдали в своей лаборатории в Лихайе.Скоростная лавина
Работа Макларена в Марбурге показала двухэтапный процесс, в котором тонкая полоска стекла, ближайшая к аноду, называемая обедненным слоем, становится намного более устойчивой к электрическому току, чем остальная часть стекла, поскольку ионы щелочных металлов в стекле мигрируют. За этим следует катастрофическое изменение слоя, известное как пробой диэлектрика, что резко увеличивает его проводимость. Макларен сравнивает процесс пробоя диэлектрика с лавиной с высокой скоростью и использует спектроскопический анализ с электротермическим полированием как способ увидеть, что происходит в замедленном движении.«Результаты, полученные в Германии, дали нам очень хорошую модель того, что происходит при смягчении, вызванном электрическим полем, которое мы сделали здесь.
Они рассказали нам о начальных условиях, при которых может начаться пробой диэлектрика», — пояснил Макларен.«Работа Чарли в Марбурге помогла нам увидеть кинетику процесса», — сказал Джейн. «Мы могли видеть, что это происходит внезапно в наших экспериментах здесь, в Лихай, но теперь у нас есть способ отделить то, что происходит конкретно со слоем истощения».Макларен, Джейн, Ролинг и члены его марбургской команды опубликовали свои выводы в сентябрьском выпуске журнала Electrochemical Society за 2016 год.
«Поездка в Марбург была невероятно полезной в профессиональном плане и познавательной для меня», — сказал Макларен. «С научной точки зрения всегда приятно видеть свою работу с другой точки зрения и видеть, как другие исследовательские группы интерпретируют данные или проводят эксперименты. Группа в Марбурге была чрезвычайно трудолюбивой, что мне нравилось, и они очень поддерживали друг друга.
Если кто-то отправляли документ, вся группа устраивала барбекю, чтобы отпраздновать это событие, и они всегда давали друг другу отзывы о своей работе. Иногда это было жестоко честным — они не сдерживались — но это были вещи, которые вам нужно было услышать ».«Работа в Марбурге также показала мне, как взаимодействовать с совершенно другой группой людей, — продолжил он, — и вы лучше всего видите различия в вашей собственной культуре, когда у вас есть возможность увидеть другие культуры поближе. Это всегда свежий взгляд». "