Hur man förvandlar en köksmikrovågsugn till en plasmaetsningsanordning

Varje naturvetenskaplig gymnasiekurs fokuserar på materiens grundläggande tillstånd i form av gaser, vätskor och fasta ämnen – tillstånd som är enkla att studera och manipulera. Men det finns ett fjärde tillstånd av materia som de flesta människor är mycket mindre bekanta med eftersom det inte existerar fritt på jorden.

Detta är plasma - en gas där elektroner har tagits bort från atomer. Solen är en sådan blandning av joner och elektroner, och mycket av det interstellära rymden är fylld med plasma. Men på jorden tenderar plasma att förekomma flyktigt - i till exempel blixtar.

Men under de senaste 100 åren har forskare och ingenjörer börjat utnyttja denna form av materia för att skapa ljus (neonljus är plasma) och för att interagera med material på ett sätt som modifierar egenskaperna hos deras ytor.

Eftersom plasma i allmänhet är svåra att tillverka och kontrollera, är de ofta begränsade till industriella maskiner eller specialiserade labb. Men ett enklare sätt att göra och kontrollera plasma kan förändra allt det.

Stiga på Kausik Das från University of Maryland Eastern Shore, och flera kollegor som har hittat ett sätt att skapa plasma i en vanlig köksmikrovågsugn. Deras teknik öppnar vägen för en ny generation att experimentera med denna exotiska form av materia och kanske utveckla nya applikationer.

Först lite bakgrund. Ett sätt att göra plasma är att bryta isär molekyler med hjälp av kraftfulla elektriska fält. Detta skapar joner som de elektriska fälten sedan accelererar, vilket får dem att slå in i andra molekyler. Dessa kollisioner slår bort elektroner från atomerna och skapar fler joner.

Under rätt omständigheter utlöser denna process en kaskad som gör att hela gasen joniseras.

Das och hans kollegor har räknat ut hur man gör detta i en vanlig köksmikrovågsugn (de identifierar inte märket). De använder också en billig glaskolv som kan hålla ett vakuum såväl som en tätning.

Köksmikrovågor producerar elektromagnetisk strålning med en våglängd på cirka 12 centimeter. Dessa vågor påverkar särskilt polära molekyler som har en positiv laddning i ena änden och en negativ laddning i den andra.

Vatten är ett bra exempel på en polär molekyl. När växelfältet förändras försöker vattenmolekyler att anpassa sig till fältet. Denna rotation får dem att stöta in i andra molekyler och därigenom höja deras temperatur.

Men om densiteten av molekyler är låg, stöter de inte på andra molekyler och kan därför inte skingra denna extra energi. I så fall gör växelfältet att vattenmolekylerna roterar allt snabbare och så småningom slits isär.

Det är den process som utlöser bildandet av ett plasma. Das och företaget utnyttjar det genom att suga ut luft ur kolven för att skapa ett lågt tryck. Lågtrycksgasen består till största delen av kväve och syre, men några vattenmolekyler är också oundvikligen närvarande.

Dass team placerar sedan kolven i mikrovågsugnen och sätter på den. Mikrovågorna river isär vattenmolekylerna inuti kolven och accelererar dem. Om trycket är tillräckligt lågt får de tillräckligt med kinetisk energi för att slå bort elektroner från kvävemolekyler, och kaskaden börjar. Detta skapar en plasma som lyser med ett mjukt blått ljus.

Men bara i några sekunder. Snart börjar processen att slita isär syreatomer, vilket skapar ett lila ljus. Så plasman ändrar färg.

Das och företaget observerar exakt denna färgutveckling i sina experiment, även om de var tvungna att experimentera noggrant med trycket i kolven. För mycket gas hindrar vattenmolekylerna från att få tillräckligt med kinetisk energi för att utlösa kaskaden. För lite gas gör att kollisioner är mindre sannolika, så ett plasma är svårare att bilda. Das och hans kollegor säger att deras mål är att verka på den söta punkten mellan dessa regimer.

För att få en bättre uppfattning om vad som pågår har teamet analyserat spektrumet av ljus som produceras av plasman för att avslöja den tydliga signaturen för syre och kväve. Och voilà – de har en plasma som genereras i en köksmikrovågsugn.

Det visar sig vara användbart för en mängd saker som annars är omöjliga utanför specialiserade labb. Till exempel visar Das och företaget hur man använder plasman för att ändra egenskaperna hos polydimetylsiloxan, eller PDMS, en vanlig kiselbaserad polymer.

Detta är vanligtvis hydrofyllt - det drar till sig vatten. Men att bada materialet i plasman i bara några sekunder gör det hydrofobt. Denna egenskap kan kvantifieras genom att mäta kontaktvinkeln som en vattendroppe gör med ytan. Före behandling har PDMS en kontaktvinkel på 64 grader. Efter behandling ökar vinkeln till 134 grader.

Detta beror troligen på att de olika jonerna i plasman blir inbäddade i materialets yta under exponeringen. Dessa joner stöter bort vatten.

Teamet fortsätter med att visa hur man modifierar ytor så att de kan bli mer vidhäftande och till och med ändra sina elektroniska egenskaper.

Det är intressant arbete som inte bara kan göras i vilket labb som helst utan i vilket kök som helst. Det kommer säkert att vara en användbar undervisningsmetod, men det kan också göra det möjligt för hemmabaserade tillverkare att experimentera med plasmarengöring och etsning.

Som Das och hans kollegor drar slutsatsen: Dessa enkla tekniker för plasmagenerering och efterföljande ytbehandling och modifiering kan leda till nya möjligheter att bedriva forskning inte bara i avancerade laboratorier utan även i forskningslaboratorier på grundnivå och till och med gymnasier.

Ref: arxiv.org/abs/1807.06784 : Plasmagenerering av hushållsmikrovågsugn för ytmodifiering och andra nya tillämpningar

Dölj