編者按：來自馬里蘭大學(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，在過去的100年里，科學(xué)家和工程師們就開始利用這種形式的物質(zhì)來創(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，一種用來制造和控制等離子體的更簡單的方法改變了現(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，用來保持真空和密封。
廚房微波爐產(chǎn)生的長在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，然后打開微波爐。微波撕裂了燒瓶內(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，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)過程就開始撕裂氧原子，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。過多的氣體會(huì)阻止水分子獲得足夠的動(dòng)能來觸發(fā)系列反應(yīng)。
而氣體過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，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?。并且他們用廚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改變聚二甲基硅氧烷的特性，即PDMS，這是一種常見的硅基聚合物。
通常來講，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。”
編譯組出品。譯者：劉麥麥 Jane，編輯：郝鵬程。
