Jak zamienić kuchenną kuchenkę mikrofalową w urządzenie do wytrawiania plazmowego

Każdy kurs nauk ścisłych w szkole średniej skupia się na podstawowych stanach materii w postaci gazów, cieczy i ciał stałych — stanach, które są łatwe do zbadania i manipulowania. Ale istnieje czwarty stan skupienia materii, który większość ludzi jest znacznie mniej zaznajomiony, ponieważ nie istnieje swobodnie na Ziemi.

To plazma — gaz, w którym elektrony zostały oderwane od atomów. Słońce jest taką mieszaniną jonów i elektronów, a duża część przestrzeni międzygwiazdowej jest wypełniona plazmą. Ale na Ziemi plazma ma tendencję do pojawiania się przelotnie – na przykład w błyskawicy.

Jednak w ciągu ostatnich 100 lat naukowcy i inżynierowie zaczęli wykorzystywać tę formę materii do tworzenia światła (neony to plazma) i interakcji z materiałami w sposób modyfikujący właściwości ich powierzchni.

Ponieważ plazmy są generalnie trudne do wytworzenia i kontrolowania, często są one ograniczone do maszyn przemysłowych lub specjalistycznych laboratoriów. Ale łatwiejszy sposób wytwarzania i kontrolowania plazmy może to wszystko zmienić.

Wchodzić Kausik Das z University of Maryland Eastern Shore i kilku kolegów, którzy znaleźli sposób na wytwarzanie plazmy w zwykłej kuchennej kuchence mikrofalowej. Ich technika otwiera drogę nowemu pokoleniu do eksperymentowania z tą egzotyczną formą materii i być może do opracowania nowych zastosowań.

Najpierw trochę tła. Jednym ze sposobów wytwarzania plazmy jest rozbijanie cząsteczek za pomocą silnych pól elektrycznych. To tworzy jony, które następnie przyspieszają pola elektryczne, powodując ich zderzenie z innymi cząsteczkami. Te zderzenia wybijają elektrony z atomów, tworząc więcej jonów.

W odpowiednich okolicznościach proces ten uruchamia kaskadę, która powoduje jonizację całego gazu.

Das i jego koledzy opracowali, jak to zrobić w standardowej kuchennej kuchence mikrofalowej (nie identyfikują marki). Używają również taniej szklanej kolby zdolnej do przechowywania próżni, a także uszczelnienia.

Kuchenne mikrofale wytwarzają promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali około 12 centymetrów. Fale te wpływają szczególnie na molekuły polarne, które mają na jednym końcu ładunek dodatni, a na drugim ładunek ujemny.

Woda jest dobrym przykładem cząsteczki polarnej. Gdy zmienne pole się zmienia, cząsteczki wody próbują wyrównać się z polem. Ta rotacja powoduje, że zderzają się z innymi cząsteczkami, podnosząc w ten sposób ich temperaturę.

Ale jeśli gęstość molekuł jest niska, nie zderzają się one z innymi molekułami, a więc nie mogą rozproszyć tej dodatkowej energii. W takim przypadku zmienne pole powoduje, że cząsteczki wody obracają się coraz szybciej i ostatecznie rozrywają.

To jest proces, który powoduje powstawanie plazmy. Das i spółka wykorzystują to, wysysając powietrze z kolby, aby wytworzyć niskie ciśnienie. Gaz pod niskim ciśnieniem składa się głównie z azotu i tlenu, ale nieuchronnie występuje również kilka cząsteczek wody.

Zespół Das następnie umieszcza butelkę w kuchence mikrofalowej i włącza ją. Mikrofale rozrywają cząsteczki wody w kolbie i przyspieszają je. Jeśli ciśnienie jest wystarczająco niskie, zyskują wystarczającą energię kinetyczną, aby wybić elektrony z cząsteczek azotu i rozpoczyna się kaskada. Tworzy to plazmę, która świeci delikatnym niebieskim światłem.

Ale tylko na kilka sekund. Wkrótce proces zaczyna rozrywać atomy tlenu, co tworzy fioletowe światło. Więc plazma zmienia kolor.

Das i spółka obserwowali dokładnie tę ewolucję koloru w swoich eksperymentach, chociaż musieli ostrożnie eksperymentować z ciśnieniem w kolbie. Zbyt dużo gazu uniemożliwia cząsteczkom wody uzyskanie wystarczającej energii kinetycznej do wywołania kaskady. Zbyt mała ilość gazu oznacza, że ​​zderzenia są mniej prawdopodobne, przez co trudniej jest uformować plazmę. Das i jego koledzy twierdzą, że ich celem jest działanie w idealnym punkcie pomiędzy tymi reżimami.

Aby lepiej zrozumieć, co się dzieje, zespół przeanalizował widmo światła wytwarzanego przez plazmę, aby odkryć charakterystyczną sygnaturę tlenu i azotu. I voilà – mają plazmę generowaną w kuchence mikrofalowej.

Okazuje się to przydatne w przypadku różnych rzeczy, które w innym przypadku są niemożliwe poza wyspecjalizowanymi laboratoriami. Na przykład Das i spółka pokazują, jak wykorzystać plazmę do zmiany właściwości polidimetylosiloksanu, czyli PDMS, popularnego polimeru na bazie krzemu.

Jest to zwykle hydrofilne — przyciąga wodę. Jednak kąpiel materiału w plazmie przez zaledwie kilka sekund powoduje, że staje się on hydrofobowy. Właściwość tę można określić ilościowo, mierząc kąt zwilżania, jaki tworzy kropla wody z powierzchnią. Przed leczeniem PDMS ma kąt zwilżania 64 stopnie. Po zabiegu kąt wzrasta do 134 stopni.

Dzieje się tak prawdopodobnie dlatego, że różne jony plazmy osadzają się w powierzchni materiału podczas ekspozycji. Te jony odpychają wodę.

Zespół pokazuje dalej, jak modyfikować powierzchnie, aby stały się bardziej przyczepne, a nawet zmieniły swoje właściwości elektroniczne.

To ciekawa praca, którą można wykonać nie tylko w każdym laboratorium, ale w każdej kuchni. Z pewnością będzie to przydatna metoda nauczania, ale może również pozwolić twórcom domu na eksperymentowanie z czyszczeniem i trawieniem plazmowym.

Jak konkludują Das i jego koledzy: Te proste techniki generowania plazmy, a następnie obróbki i modyfikacji powierzchni mogą prowadzić do nowych możliwości prowadzenia badań nie tylko w zaawansowanych laboratoriach, ale także w laboratoriach badawczych na studiach licencjackich, a nawet licealnych.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1807.06784 : Generowanie plazmy w domowej kuchence mikrofalowej do modyfikacji powierzchni i innych pojawiających się zastosowań

ukryć