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你们对力量一无所知!日常热饭的微波炉,竟然能制造等离子

Jane · 2018-08-06
微波炉的用处有很多,制造等离子体就是其中一个。

编者按:来自马里兰大学的Benjamin Barnes和他的同事发现了用微波炉制造等离子的方法。这是非常有意义的,它使一些工作脱离了专业实验室里也能做,比如在厨房里,或者在本科甚至是高中研究实验室中。本文经授权译自MIT Technology Review原标题为" How to turn a kitchen microwave into a plasma-etching device"的文章。

在我们学过的所有高中课本中,物质的基本状态基本就是以下三种:气体、液体和固体,这些状态是直观的,而且是可控的。但是,物质其实还有第四种存在状态,这种状态大多数人都不太熟悉,因为它在地球上是不能自由存在的。

那就是等离子体,这是一种电子从原子中剥离出来的气体。(等离子体又叫做电浆,是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质,其运动主要受电磁力支配,并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中,常被视为是除去固、液、气外,物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体,利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。)太阳就是由离子和电子组成的,而且在宇宙空间中,大部分都充满了等离子体。但在地球上,等离子体并不是物质存在的常态,等离子体在地球上倾向于短暂存在,例如在闪电中。

然而,在过去的100年里,科学家和工程师们就开始利用这种形式的物质来创造光(氖灯是等离子体),并以一种改变其表面特性的方式与材料进行交互。

因为等离子体通常很难制造和控制,所以它们通常被限制在工业机械领域或专门的实验室里。但是,一种用来制造和控制等离子体的更简单的方法改变了现状。

马里兰大学的Benjamin Barnes和他的几位同事找到了用普通的厨房微波炉制造等离子体的方法。他们的技术开辟了全新的研究这种奇特物质的方法,也许为它们的应用开辟了道路。

首先,我们需要了解一些知识背景。制造等离子体的一种方法是用强大的电场分解分子。这就产生了离子,然后电场加速离子,导致它们撞向其他分子。这些碰撞使电子脱离原子,产生更多的离子。

在适当的情况下,这个过程会触发一系列反应,导致整个气体被电离。

Barnes和他的同事们研究出了如何在标准的厨房微波炉中做到这一点。他们还用到了一个廉价的玻璃烧瓶,用来保持真空和密封。

厨房微波炉产生的长在12厘米左右。这些电磁辐射波特别影响一端带正电,另一端带负电的极性分子。

水分子是极性分子的一个很好的例子。当交变磁场发生变化时,水分子试图与磁场保持一致。分子旋转过程中使他们撞向其他分子,从而提高了水的温度。

但是如果分子的密度很低,他们就不会撞到其他分子,因此也无法消耗这些额外的能量。在这种情况下,交替场会使水分子旋转得更快,最终破裂。

这就是触发等离子体形成的过程。Barnes和他的同事利用这种方法从烧瓶中吸出空气造成低压。低压气体主要由氮气和氧气组成,但也不可避免地会有一些水分子。

然后,Barnes的团队把烧瓶放在微波炉里,然后打开微波炉。微波撕裂了烧瓶内的水分子并使烧瓶中的粒子加速。如果压强足够低,它们就会获得足够的动能,将电子从氮分子中分离出来,然后就会发生一系列的反应。这就产生了一种能发出柔和蓝光的等离子体。

但这个阶段只持续几秒钟。很快,这个过程就开始撕裂氧原子,形成了紫色的光,使等离子体改变颜色。

Barnes团队在他们的实验中确切观察到了这种颜色的变化,尽管他们必须小心地控制烧瓶中的压力。过多的气体会阻止水分子获得足够的动能来触发系列反应。

而气体过少则意味着碰撞的可能性更小,所以等离子体更难形成。Barnes和他的同事们说,他们的目标是在权衡利弊,找到最佳的气体含量。

为了更好地了解实验现象,研究小组分析了等离子体产生光的光谱,以揭示氧气和氮气的特征。并且他们用厨房里的微波炉里制造出了等离子体。

这是非常有意义的,使一些工作不在专业实验室里也能做。例如,Barnes团队展示了如何使用等离子体来改变聚二甲基硅氧烷的特性,即PDMS,这是一种常见的硅基聚合物。

通常来讲,它具有亲水性,但是在等离子体中浸泡几秒钟就会使它变得具有疏水性。通过测量水滴与表面的接触角度,可以对该属性进行量化。在浸泡前,PDMS与水滴的接触角是64度,而浸泡后,角度增加到134度。

这可能是因为在接触过程中,等离子体中的各种离子会嵌入到材料表面,而这些离子是排斥水的。

该团队继续展示如何改变表面,使其更具粘性,甚至可以改变其电子属性。

这是一项有趣的工作,不仅可以发生在实验室里,也可以在厨房里完成。这肯定能成为一种有用的教学方法,而且它也可以让家居制造商进行等离子清洗和蚀刻实验。

正如Barnes和他的同事们总结的那样:“这种简单的等离子体生成技术和随后的表面处理改进可能会带来新的机会,使大家不仅能在先进的实验室,而且在本科甚至是高中研究实验室中都能进行相关研究。”

编译组出品。译者:刘麦麦 Jane,编辑:郝鹏程。


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