如何将厨用微波炉变成等离子体蚀刻设备?

科学
如何将厨用微波炉变成等离子体蚀刻设备?
麻省理工科技评论 2018年8月10日

2018年8月10日

等离子体一直都很难被创造或利用。但现在,你可以在自家厨房制作等离子体了。
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等离子体一直都很难被创造或利用。但现在,你可以在自家厨房制作等离子体了。

等离子体一直都很难被创造或利用。但现在,你可以在自家厨房制作等离子体了。

每个高中的科学课程都以气体、液体和固体状态的形式关注物质的基本状态,这些都是可以直接被研究和操作的状态。但是物质的第四种状态大多数人都不太熟悉,因为它无法在地球上随意存在。

这就是等离子体——一种从原子中剥离了电子的气体。太阳是离子和电子的混合物,大部分星际空间都充满了等离子体。但在地球上,等离子体往往只会在闪电中短暂出现。然而,在过去的 100 年里,科学家和工程师们已经开始利用这种形态的物质来创造光(霓虹的灯光就是等离子体),并以改变表面特性的方式与材料相互作用。

由于等离子体往往难以制造和控制,因此它们通常局限于工业机器设备或专业实验室中。但一种更简单的制造和控制等离子体的方法可能会改变这一切。

马里兰大学的本杰明·巴恩斯(Benjamin Barnes)和几位同事找到了在普通厨房微波炉中制造等离子的方法。他们的技术为这种奇特物态的新一代实验研究开辟了道路,并可能研发出利用等离子体的新应用。

首先,这里有一些背景知识。制造等离子体的一种方法是使用强大的电场来分解分子。这会产生出离子,而随后这些离子会在电场中加速,导致它们击中其他分子。这些碰撞将电子从原子中分离出来,产生更多离子。

在适当的情况下,这个过程会触发一个级联,导致全部气体被电离。巴恩斯和他的同事已经研究了如何在标准的厨用微波炉中做到这一点。他们还用到了一个便宜的能够保持真空和密封的玻璃烧瓶。厨用微波炉会产生波长约 12 厘米的电磁辐射。这些波对于在一端带有正电荷而在另一端带有负电荷的极性分子会产生特别的影响。水分子就是极性分子的一个很好的例子。随着交变电磁场的变化,水分子会试图将自己与场对齐。这种旋转使它们撞到其他分子,从而升高温度。

但是如果分子的密度很低,它们就不会碰到其他分子,因此不会消耗这些额外的能量。在这种情况下,交变电磁场会使水分子旋转得更快并最终分裂。这就是触发等离子体形成的过程。巴恩斯和同事通过从烧瓶中吸出空气并利用其产生低压。低压气体主要由氮气和氧气组成,但也不可避免地存在少量水分子。

然后巴恩斯的团队将烧瓶放入微波炉中并将其打开。微波炉将烧瓶内的水分子分离并加速。如果压力足够低,它们就会获得足够的动能将电子从氮分子中分离出来,并且开始级联。这会产生等离子,发出柔和的蓝光。但只有几秒钟。很快,这个过程开始分离氧原子,从而产生紫色光。所以等离子体的颜色就会发生变化。

巴恩斯和同事们在他们的实验中完全观察到了这种颜色的变化,尽管他们必须小心试验烧瓶中的压力。气体太多会阻止水分子获得足够的动能来触发级联。气体太少则意味着碰撞的可能性较小,因此等离子体更难形成。巴恩斯和他的同事说他们的目标是在这中间找到最好的平衡。

为了更好地了解实验的过程,该团队分析了等离子体产生的光谱,以揭示氧气和氮气的迹象。就这样,他们在厨用微波炉中制成了等离子体。

事实证明,这让另外一些原本不可能在专门实验室外完成的事成为了可能。例如,巴恩斯和同事们展示了如何使用等离子体来改变聚二甲基硅氧烷/PDMS(一种常见的硅基聚合物)的性质。

这种物质通常是亲水的。但是如果将其浸入等离子体浴中,几秒钟就会使其变得疏水。这种性质可以通过测量一滴水与表面形成的接触角来进行量化。在处理之前,PDMS 的接触角为 64 度。处理后,角度增加到了 134 度。这可能是因为等离子体中的各种离子在暴露期间嵌入了材料表面。那些离子会对水产生排斥。该团队继续展示了如何修改表面特性,使其更具吸附性,甚至改变其电子特性。

这项有趣的工作不仅可以在任何实验室中完成,也可以在任何厨房中完成。它绝对呼成为一种有用的教学方法,但它或许也能让在家里工作的创客们尝试使用等离子体进行清洁和蚀刻。正如巴恩斯和他的同事所总结的那样:“这些简单的等离子体生成技术以及随之的表面处理和改性技术可能不仅可以在高级实验室进行研究,也可以在本科甚至高中研究实验室进行。”

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