如何將廚用微波爐變成等離子體蝕刻設備？

等離子體一直都很難被創造或利用。但現在，你可以在自家廚房製作等離子體了。

每個高中的科學課程都以氣體、液體和固體狀態的形式關注物質的基本狀態，這些都是可以直接被研究和操作的狀態。但是物質的第四種狀態大多數人都不太熟悉，因為它無法在地球上隨意存在。

這就是等離子體——一種從原子中剝離了電子的氣體。太陽是離子和電子的混合物，大部分星際空間都充滿了等離子體。但在地球上，等離子體往往只會在閃電中短暫出現。

然而，在過去的 100 年裡，科學家和工程師們已經開始利用這種形態的物質來創造光（霓虹的燈光就是等離子體），並以改變表面特性的方式與材料相互作用。

圖丨藍線：極光激發的空氣等離子體光譜；黃線：微波爐激發的空氣等離子體；縱坐標：相對強度；橫坐標：波長（納米）

由於等離子體往往難以製造和控制，因此它們通常局限於工業機器設備或專業實驗室中。但一種更簡單的製造和控制等離子體的方法可能會改變這一切。

馬里蘭大學的本傑明·巴恩斯（Benjamin Barnes）和幾位同事找到了在普通廚房微波爐中製造等離子的方法。他們的技術為這種奇特物態的新一代實驗研究開闢了道路，並可能研發出利用等離子體的新應用。

首先，這裡有一些背景知識。製造等離子體的一種方法是使用強大的電場來分解分子。這會產生出離子，而隨後這些離子會在電場中加速，導致它們擊中其他分子。這些碰撞將電子從原子中分離出來，產生更多離子。

在適當的情況下，這個過程會觸發一個級聯，導致全部氣體被電離。

巴恩斯和他的同事已經研究了如何在標準的廚用微波爐中做到這一點。他們還用到了一個便宜的能夠保持真空和密封的玻璃燒瓶。

廚用微波爐會產生波長約 12 厘米的電磁輻射。這些波對於在一端帶有正電荷而在另一端帶有負電荷的極性分子會產生特別的影響。

水分子就是極性分子的一個很好的例子。隨著交變電磁場的變化，水分子會試圖將自己與場對齊。這種旋轉使它們撞到其他分子，從而升高溫度。

但是如果分子的密度很低，它們就不會碰到其他分子，因此不會消耗這些額外的能量。在這種情況下，交變電磁場會使水分子旋轉得更快並最終分裂。

這就是觸發等離子體形成的過程。巴恩斯和同事通過從燒瓶中吸出空氣並利用其產生低壓。低壓氣體主要由氮氣和氧氣組成，但也不可避免地存在少量水分子。

然後巴恩斯的團隊將燒瓶放入微波爐中並將其打開。微波爐將燒瓶內的水分子分離並加速。如果壓力足夠低，它們就會獲得足夠的動能將電子從氮分子中分離出來，並且開始級聯。這會產生等離子，發出柔和的藍光。

但只有幾秒鐘。很快，這個過程開始分離氧原子，從而產生紫色光。所以等離子體的顏色就會發生變化。

巴恩斯和同事們在他們的實驗中完全觀察到了這種顏色的變化，儘管他們必須小心試驗燒瓶中的壓力。氣體太多會阻止水分子獲得足夠的動能來觸發級聯。氣體太少則意味著碰撞的可能性較小，因此等離子體更難形成。巴恩斯和他的同事說他們的目標是在這中間找到最好的平衡。

為了更好地了解實驗的過程，該團隊分析了等離子體產生的光譜，以揭示氧氣和氮氣的跡象。就這樣，他們在廚用微波爐中製成了等離子體。

事實證明，這讓另外一些原本不可能在專門實驗室外完成的事成為了可能。例如，巴恩斯和同事們展示了如何使用等離子體來改變聚二甲基硅氧烷/PDMS（一種常見的硅基聚合物）的性質。

這種物質通常是親水的。但是如果將其浸入等離子體浴中，幾秒鐘就會使其變得疏水。這種性質可以通過測量一滴水與表面形成的接觸角來進行量化。在處理之前，PDMS 的接觸角為 64 度。處理後，角度增加到了 134 度。

這可能是因為等離子體中的各種離子在暴露期間嵌入了材料表面。那些離子會對水產生排斥。

該團隊繼續展示了如何修改表面特性，使其更具吸附性，甚至改變其電子特性。

這項有趣的工作不僅可以在任何實驗室中完成，也可以在任何廚房中完成。它絕對呼成為一種有用的教學方法，但它或許也能讓在家裡工作的創客們嘗試使用等離子體進行清潔和蝕刻。

正如巴恩斯和他的同事所總結的那樣：「這些簡單的等離子體生成技術以及隨之的表面處理和改性技術可能不僅可以在高級實驗室進行研究，也可以在本科甚至高中研究實驗室進行。」

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