來(lái)自馬里蘭大學(xué)的Benjamin Barnes和他的同事發(fā)現(xiàn)了用微波爐制造等離子的方法。這是非常有意義的,它使一些工作脫離了專業(yè)實(shí)驗(yàn)室里也能做,比如在廚房里,或者在本科甚至是高中研究實(shí)驗(yàn)室中。本文經(jīng)授權(quán)譯自MIT Technology Review原標(biāo)題為" How to turn a kitchen microwave into a plasma-etching device"的文章。
在我們學(xué)過(guò)的所有高中課本中,物質(zhì)的基本狀態(tài)基本就是以下三種:氣體、液體和固體,這些狀態(tài)是直觀的,而且是可控的。但是,物質(zhì)其實(shí)還有第四種存在狀態(tài),這種狀態(tài)大多數(shù)人都不太熟悉,因?yàn)樗诘厍蛏鲜遣荒茏杂纱嬖诘摹?/p>
那就是等離子體,這是一種電子從原子中剝離出來(lái)的氣體。(等離子體又叫做電漿,是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì),其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配,并表現(xiàn)出顯著的集體行為。它廣泛存在于宇宙中,常被視為是除去固、液、氣外,物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體,利用經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)可以捕捉、移動(dòng)和加速等離子體。)太陽(yáng)就是由離子和電子組成的,而且在宇宙空間中,大部分都充滿了等離子體。但在地球上,等離子體并不是物質(zhì)存在的常態(tài),等離子體在地球上傾向于短暫存在,例如在閃電中。
然而,在過(guò)去的100年里,科學(xué)家和工程師們就開(kāi)始利用這種形式的物質(zhì)來(lái)創(chuàng)造光(氖燈是等離子體),并以一種改變其表面特性的方式與材料進(jìn)行交互。
因?yàn)榈入x子體通常很難制造和控制,所以它們通常被限制在工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域或?qū)iT的實(shí)驗(yàn)室里。但是,一種用來(lái)制造和控制等離子體的更簡(jiǎn)單的方法改變了現(xiàn)狀。
馬里蘭大學(xué)的Benjamin Barnes和他的幾位同事找到了用普通的廚房微波爐制造等離子體的方法。他們的技術(shù)開(kāi)辟了全新的研究這種奇特物質(zhì)的方法,也許為它們的應(yīng)用開(kāi)辟了道路。
首先,我們需要了解一些知識(shí)背景。制造等離子體的一種方法是用強(qiáng)大的電場(chǎng)分解分子。這就產(chǎn)生了離子,然后電場(chǎng)加速離子,導(dǎo)致它們撞向其他分子。這些碰撞使電子脫離原子,產(chǎn)生更多的離子。
在適當(dāng)?shù)那闆r下,這個(gè)過(guò)程會(huì)觸發(fā)一系列反應(yīng),導(dǎo)致整個(gè)氣體被電離。
Barnes和他的同事們研究出了如何在標(biāo)準(zhǔn)的廚房微波爐中做到這一點(diǎn)。他們還用到了一個(gè)廉價(jià)的玻璃燒瓶,用來(lái)保持真空和密封。
廚房微波爐產(chǎn)生的長(zhǎng)在12厘米左右。這些電磁輻射波特別影響一端帶正電,另一端帶負(fù)電的極性分子。
水分子是極性分子的一個(gè)很好的例子。當(dāng)交變磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),水分子試圖與磁場(chǎng)保持一致。分子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中使他們撞向其他分子,從而提高了水的溫度。
但是如果分子的密度很低,他們就不會(huì)撞到其他分子,因此也無(wú)法消耗這些額外的能量。在這種情況下,交替場(chǎng)會(huì)使水分子旋轉(zhuǎn)得更快,最終破裂。
這就是觸發(fā)等離子體形成的過(guò)程。Barnes和他的同事利用這種方法從燒瓶中吸出空氣造成低壓。低壓氣體主要由氮?dú)夂脱鯕饨M成,但也不可避免地會(huì)有一些水分子。
然后,Barnes的團(tuán)隊(duì)把燒瓶放在微波爐里,然后打開(kāi)微波爐。微波撕裂了燒瓶?jī)?nèi)的水分子并使燒瓶中的粒子加速。如果壓強(qiáng)足夠低,它們就會(huì)獲得足夠的動(dòng)能,將電子從氮分子中分離出來(lái),然后就會(huì)發(fā)生一系列的反應(yīng)。這就產(chǎn)生了一種能發(fā)出柔和藍(lán)光的等離子體。
但這個(gè)階段只持續(xù)幾秒鐘。很快,這個(gè)過(guò)程就開(kāi)始撕裂氧原子,形成了紫色的光,使等離子體改變顏色。
Barnes團(tuán)隊(duì)在他們的實(shí)驗(yàn)中確切觀察到了這種顏色的變化,盡管他們必須小心地控制燒瓶中的壓力。過(guò)多的氣體會(huì)阻止水分子獲得足夠的動(dòng)能來(lái)觸發(fā)系列反應(yīng)。
而氣體過(guò)少則意味著碰撞的可能性更小,所以等離子體更難形成。Barnes和他的同事們說(shuō),他們的目標(biāo)是在權(quán)衡利弊,找到最佳的氣體含量。
為了更好地了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,研究小組分析了等離子體產(chǎn)生光的光譜,以揭示氧氣和氮?dú)獾奶卣鳌2⑶宜麄冇脧N房里的微波爐里制造出了等離子體。
這是非常有意義的,使一些工作不在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室里也能做。例如,Barnes團(tuán)隊(duì)展示了如何使用等離子體來(lái)改變聚二甲基硅氧烷的特性,即PDMS,這是一種常見(jiàn)的硅基聚合物。
通常來(lái)講,它具有親水性,但是在等離子體中浸泡幾秒鐘就會(huì)使它變得具有疏水性。通過(guò)測(cè)量水滴與表面的接觸角度,可以對(duì)該屬性進(jìn)行量化。在浸泡前,PDMS與水滴的接觸角是64度,而浸泡后,角度增加到134度。
這可能是因?yàn)樵诮佑|過(guò)程中,等離子體中的各種離子會(huì)嵌入到材料表面,而這些離子是排斥水的。
該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)展示如何改變表面,使其更具粘性,甚至可以改變其電子屬性。
這是一項(xiàng)有趣的工作,不僅可以發(fā)生在實(shí)驗(yàn)室里,也可以在廚房里完成。這肯定能成為一種有用的教學(xué)方法,而且它也可以讓家居制造商進(jìn)行等離子清洗和蝕刻實(shí)驗(yàn)。
正如Barnes和他的同事們總結(jié)的那樣:“這種簡(jiǎn)單的等離子體生成技術(shù)和隨后的表面處理改進(jìn)可能會(huì)帶來(lái)新的機(jī)會(huì),使大家不僅能在先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室,而且在本科甚至是高中研究實(shí)驗(yàn)室中都能進(jìn)行相關(guān)研究。”