211service.com
Hvordan gjøre en kjøkkenmikrobølge om til en plasma-etsingsenhet
Hvert realfagskurs på videregående skole fokuserer på materiens grunnleggende tilstander i form av gasser, væsker og faste stoffer - tilstander som er enkle å studere og manipulere. Men det er en fjerde tilstand av materie som de fleste er mye mindre kjent med fordi den ikke eksisterer fritt på jorden.
Dette er plasma - en gass der elektroner er fjernet fra atomer. Solen er en slik blanding av ioner og elektroner, og mye av det interstellare rommet er fylt med plasma. Men på jorden har plasmaer en tendens til å oppstå flyktig - for eksempel i lyn.
Men i løpet av de siste 100 årene har forskere og ingeniører begynt å utnytte denne formen for materie for å skape lys (neonlys er plasmaer) og for å samhandle med materialer på en måte som modifiserer egenskapene til overflatene deres.
Fordi plasma generelt er vanskelig å lage og kontrollere, er de ofte begrenset til industrielle maskiner eller spesialiserte laboratorier. Men en enklere måte å lage og kontrollere plasmaer på kan endre alt dette.
Tast inn Kausik Das fra University of Maryland Eastern Shore, og flere kolleger som har funnet en måte å lage plasma i en vanlig kjøkkenmikrobølgeovn. Teknikken deres åpner veien for en ny generasjon til å eksperimentere med denne eksotiske formen for materie og kanskje utvikle nye applikasjoner.
Først litt bakgrunn. En måte å lage plasma på er å bryte fra hverandre molekyler ved hjelp av kraftige elektriske felt. Dette skaper ioner som de elektriske feltene deretter akselererer, og får dem til å knuse inn i andre molekyler. Disse kollisjonene slår elektroner av atomene, og skaper flere ioner.
Under de rette omstendighetene utløser denne prosessen en kaskade som gjør at hele gassen blir ionisert.
Das og kollegene hans har funnet ut hvordan de kan gjøre dette i en standard kjøkkenmikrobølgeovn (de identifiserer ikke merket). De bruker også en billig glasskolbe som er i stand til å holde et vakuum så vel som en forsegling.
Kjøkkenmikrobølger produserer elektromagnetisk stråling med en bølgelengde på rundt 12 centimeter. Disse bølgene påvirker spesielt polare molekyler som har en positiv ladning i den ene enden og en negativ ladning i den andre.
Vann er et godt eksempel på et polart molekyl. Når det vekslende feltet endres, prøver vannmolekyler å innrette seg etter feltet. Denne rotasjonen får dem til å støte på andre molekyler, og dermed øke temperaturen.
Men hvis tettheten av molekyler er lav, støter de ikke inn i andre molekyler og kan derfor ikke spre denne ekstra energien. I så fall fører vekselfeltet til at vannmolekylene roterer stadig raskere og til slutt rives fra hverandre.
Det er prosessen som utløser dannelsen av et plasma. Das og selskapet utnytter det ved å suge luft ut av kolben for å skape et lavt trykk. Lavtrykksgassen består for det meste av nitrogen og oksygen, men noen få vannmolekyler er også uunngåelig tilstede.
Dass team plasserer deretter kolben i mikrobølgeovnen og slår den på. Mikrobølgene river fra hverandre vannmolekylene inne i kolben og akselererer dem. Hvis trykket er lavt nok, får de nok kinetisk energi til å slå elektroner av nitrogenmolekyler, og kaskaden begynner. Dette skaper et plasma som lyser med et mykt blått lys.
Men bare i noen få sekunder. Snart begynner prosessen å rive fra hverandre oksygenatomer, noe som skaper et lilla lys. Så plasmaet endrer farge.
Das og selskapet observerer nøyaktig denne fargeutviklingen i sine eksperimenter, selv om de måtte eksperimentere nøye med trykket i kolben. For mye gass forhindrer vannmolekylene i å få nok kinetisk energi til å utløse kaskaden. For lite gass betyr at kollisjoner er mindre sannsynlige, så et plasma er vanskeligere å danne. Das og kollegene hans sier at målet deres er å operere på søtepunktet mellom disse regimene.
For å få en bedre ide om hva som skjer, har teamet analysert lysspekteret som produseres av plasmaet for å avsløre den avslørende signaturen til oksygen og nitrogen. Og voilà – de har en plasma som genereres i en kjøkkenmikrobølgeovn.
Det viser seg å være nyttig for en rekke ting som ellers er umulige utenfor spesialiserte laboratorier. For eksempel viser Das og selskapet hvordan man bruker plasmaet til å endre egenskapene til polydimetylsiloksan, eller PDMS, en vanlig silisiumbasert polymer.
Dette er vanligvis hydrofyllt - det tiltrekker seg vann. Men å bade materialet i plasmaet i bare noen få sekunder gjør det hydrofobt. Denne egenskapen kan kvantifiseres ved å måle kontaktvinkelen som en vanndråpe lager med overflaten. Før behandling har PDMS en kontaktvinkel på 64 grader. Etter behandling øker vinkelen til 134 grader.
Dette er sannsynligvis fordi de ulike ionene i plasmaet blir innebygd i overflaten av materialet under eksponering. Disse ionene frastøter vann.
Teamet fortsetter med å vise hvordan man kan modifisere overflater slik at de kan bli mer klebende og til og med endre sine elektroniske egenskaper.
Det er interessant arbeid som kan gjøres ikke bare i et hvilket som helst laboratorium, men på ethvert kjøkken. Det vil absolutt være en nyttig undervisningsmetode, men det kan også tillate hjemmebaserte produsenter å eksperimentere med plasmarensing og etsing.
Som Das og kollegene hans konkluderer: Disse enkle teknikkene for plasmagenerering og påfølgende overflatebehandling og modifikasjon kan føre til nye muligheter for å utføre forskning ikke bare i avanserte laboratorier, men også i forskningslaboratorier på lavere og til og med videregående skoler.
Ref: arxiv.org/abs/1807.06784 : Plasmagenerering av husholdningsmikrobølgeovn for overflatemodifisering og andre nye bruksområder