Печь раскалена добела, но керамический порошок остаётся рыхлым. Включают электрическое поле — и за несколько секунд материал оседает, твердеет, превращается в прочный монолит. Этот приём называют flash-спеканием (от английского «вспышка»), и он экономит часы обжига и гигаватты энергии. Но что именно происходит с атомами в момент вспышки, оставалось загадкой.
Разгадка пришла из расчётов на суперкомпьютере. Исследователи взяли кубический диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ), — популярную техническую керамику — и проследили судьбу дефектов кристаллической решётки. Главный герой — вакансия циркония, пустое место, где должен сидеть атом Zr. До подачи тока она почти не двигается: энергетический барьер высок, как бордюр для тяжёлого чемодана. Но когда поле включает «вспышку», уровень Ферми — своеобразная ватерлиния для электронов — ползёт вверх. Вакансия меняет заряд с нейтрального (V₀) на четырёхкратно отрицательный (V⁻⁴), и барьер падает на 2 электрон-вольта. Для атомов это всё равно что бордюр превратить в пологий пандус.
За переключение заряда отвечают два типа дефектов. Примесный атом иттрия (Yᶻʳ), освободившись из пары с кислородной вакансией, забирает электроны и удерживает вакансию циркония нейтральной до вспышки. Но как только температура подскакивает, появляется избыток кислородных вакансий — они, наоборот, отдают электроны, поднимают уровень Ферми и включают скоростной режим диффузии. Такой механизм, по мнению авторов, работает не только в YSZ, но и в других оксидных керамиках, которые спекают электрическим полем.
Слово «flash» в названии метода — не метафора. При подаче тока образец действительно вспыхивает: его электросопротивление резко падает, и он начинает светиться ярче печи.
В романе «Марсианин» астронавт спекал почву микроволнами, чтобы делать кирпичи. Flash-спекание — земной родственник этой идеи, только вместо микроволн — мощный электрический разряд.