Sådan forvandler du en køkkenmikroovn til en plasma-ætsningsenhed

Hvert gymnasiums naturvidenskabelige kursus fokuserer på stoffets grundlæggende tilstande i form af gasser, væsker og faste stoffer - tilstande, der er ligetil at studere og manipulere. Men der er en fjerde tilstand af stof, som de fleste mennesker er meget mindre fortrolige med, fordi den ikke eksisterer frit på Jorden.

Dette er plasma - en gas, hvor elektroner er blevet fjernet fra atomer. Solen er sådan en blanding af ioner og elektroner, og meget af det interstellare rum er fyldt med plasma. Men på Jorden har plasma tendens til at forekomme flygtigt - for eksempel i lyn.

Men i de sidste 100 år er videnskabsmænd og ingeniører begyndt at udnytte denne form for stof til at skabe lys (neonlys er plasmaer) og til at interagere med materialer på en måde, der modificerer egenskaberne af deres overflader.

Fordi plasmaer generelt er svære at lave og kontrollere, er de ofte begrænset til industrimaskiner eller specialiserede laboratorier. Men en nemmere måde at lave og kontrollere plasmaer på kunne ændre alt det.

Gå ind Kausik Das fra University of Maryland Eastern Shore, og flere kolleger, der har fundet en måde at skabe plasmaer i en almindelig køkkenmikroovn. Deres teknik åbner vejen for en ny generation til at eksperimentere med denne eksotiske form for stof og måske udvikle nye applikationer.

Først lidt baggrund. En måde at lave plasma på er at bryde molekyler ad ved hjælp af kraftige elektriske felter. Dette skaber ioner, som de elektriske felter derefter accelererer, hvilket får dem til at smadre ind i andre molekyler. Disse kollisioner slår elektroner væk fra atomerne og skaber flere ioner.

Under de rette omstændigheder udløser denne proces en kaskade, der får hele gassen til at blive ioniseret.

Das og hans kolleger har fundet ud af, hvordan man gør dette i en almindelig køkkenmikroovn (de identificerer ikke mærket). De bruger også en billig glaskolbe, der er i stand til at holde et vakuum såvel som en forsegling.

Køkkenmikrobølger producerer elektromagnetisk stråling med en bølgelængde på omkring 12 centimeter. Disse bølger påvirker især polære molekyler, der har en positiv ladning i den ene ende og en negativ ladning i den anden.

Vand er et godt eksempel på et polært molekyle. Efterhånden som det vekslende felt ændres, forsøger vandmolekyler at tilpasse sig feltet. Denne rotation får dem til at støde ind i andre molekyler og derved hæve deres temperatur.

Men hvis tætheden af ​​molekyler er lav, støder de ikke ind i andre molekyler og kan derfor ikke sprede denne ekstra energi. I så fald får vekselfeltet vandmolekylerne til at rotere stadig hurtigere og til sidst rives fra hinanden.

Det er den proces, der udløser dannelsen af ​​et plasma. Das og virksomheden udnytter det ved at suge luft ud af deres kolbe for at skabe et lavt tryk. Lavtryksgassen består for det meste af nitrogen og oxygen, men nogle få vandmolekyler er også uundgåeligt til stede.

Das' team placerer derefter kolben i mikrobølgeovnen og tænder for den. Mikrobølgerne river vandmolekylerne inde i kolben fra hinanden og accelererer dem. Hvis trykket er lavt nok, får de nok kinetisk energi til at slå elektroner af nitrogenmolekyler, og kaskaden begynder. Dette skaber et plasma, der lyser med et blødt blåt lys.

Men kun i et par sekunder. Snart begynder processen at rive iltatomer fra hinanden, hvilket skaber et lilla lys. Så plasmaet skifter farve.

Das og selskab observerer præcis denne farveudvikling i deres eksperimenter, selvom de var nødt til at eksperimentere omhyggeligt med trykket i kolben. For meget gas forhindrer vandmolekylerne i at få nok kinetisk energi til at udløse kaskaden. For lidt gas betyder, at kollisioner er mindre sandsynlige, så et plasma er sværere at danne. Das og hans kolleger siger, at deres mål er at operere på det søde sted mellem disse regimer.

For at få en bedre ide om, hvad der foregår, har holdet analyseret lysspektret, der produceres af plasmaet, for at afsløre den afslørende signatur af ilt og nitrogen. Og voilà - de har en plasma genereret i en køkkenmikroovn.

Det viser sig at være nyttigt til en række ting, der ellers er umulige uden for specialiserede laboratorier. For eksempel viser Das og selskab, hvordan man bruger plasmaet til at ændre egenskaberne af polydimethylsiloxan, eller PDMS, en almindelig siliciumbaseret polymer.

Dette er normalt hydrofilt - det tiltrækker vand. Men at bade materialet i plasmaet i blot et par sekunder gør det hydrofobt. Denne egenskab kan kvantificeres ved at måle kontaktvinklen, som en dråbe vand danner med overfladen. Før behandling har PDMS en kontaktvinkel på 64 grader. Efter behandling øges vinklen til 134 grader.

Dette skyldes sandsynligvis, at de forskellige ioner i plasmaet bliver indlejret i materialets overflade under eksponeringen. Disse ioner afviser vand.

Holdet fortsætter med at vise, hvordan man modificerer overflader, så de kan blive mere klæbende og endda ændre deres elektroniske egenskaber.

Det er interessant arbejde, der ikke bare kan udføres i ethvert laboratorium, men i ethvert køkken. Det vil helt sikkert være en nyttig undervisningsmetode, men det kan også give hjemmebaserede producenter mulighed for at eksperimentere med plasmarensning og ætsning.

Som Das og hans kolleger konkluderer: Disse simple teknikker til plasmagenerering og efterfølgende overfladebehandling og modifikation kan føre til nye muligheder for at udføre forskning ikke kun i avancerede laboratorier, men også i forskningslaboratorier på bachelor- og endda gymnasier.

Ref: arxiv.org/abs/1807.06784 : Plasmagenerering af husholdningsmikrobølgeovn til overflademodifikation og andre nye anvendelser

skjule