Kaip virtuvės mikrobangų krosnelę paversti plazminio ėsdinimo įrenginiu

Kiekviename aukštosios mokyklos gamtos mokslų kurse dėmesys sutelkiamas į pagrindines materijos būsenas dujų, skysčių ir kietųjų medžiagų pavidalu – būsenas, kurias nesunku ištirti ir jas valdyti. Tačiau yra ketvirtoji materijos būsena, kurią dauguma žmonių žino daug mažiau, nes Žemėje ji laisvai neegzistuoja.

Tai plazma – dujos, kuriose elektronai buvo atskirti nuo atomų. Saulė yra toks jonų ir elektronų mišinys, o didžioji dalis tarpžvaigždinės erdvės užpildyta plazma. Tačiau Žemėje plazmos atsiranda greitai, pavyzdžiui, žaibuojant.

Tačiau per pastaruosius 100 metų mokslininkai ir inžinieriai pradėjo naudoti šią materijos formą, kad sukurtų šviesą (neoninės šviesos yra plazmos) ir sąveikautų su medžiagomis taip, kad pakeistų jų paviršių savybes.

Kadangi plazmas paprastai sunku pagaminti ir valdyti, jos dažnai naudojamos tik pramoninėse mašinose arba specializuotose laboratorijose. Tačiau paprastesnis plazmos gamybos ir valdymo būdas gali visa tai pakeisti.

Įeikite Kausik Das Merilendo Rytų kranto universiteto ir keli kolegos, suradę būdą, kaip įprastoje virtuvės mikrobangų krosnelėje sukurti plazmas. Jų technika atveria kelią naujai kartai eksperimentuoti su šia egzotiška materijos forma ir galbūt kurti naujas programas.

Pirma, šiek tiek fono. Vienas iš būdų gaminti plazmas yra suskaidyti molekules naudojant galingus elektrinius laukus. Tai sukuria jonus, kuriuos elektriniai laukai pagreitina, todėl jie suskaidomi į kitas molekules. Šie susidūrimai numuša elektronus nuo atomų ir sukuria daugiau jonų.

Tinkamomis aplinkybėmis šis procesas sukelia kaskadą, dėl kurios visos dujos tampa jonizuotos.

Dasas ir jo kolegos sugalvojo, kaip tai padaryti standartinėje virtuvės mikrobangų krosnelėje (jie neidentifikuoja prekės ženklo). Jie taip pat naudoja pigią stiklinę kolbą, kurioje gali būti vakuumas ir sandariklis.

Virtuvės mikrobangų krosnelės skleidžia maždaug 12 centimetrų bangos ilgio elektromagnetinę spinduliuotę. Šios bangos ypač veikia polines molekules, kurių viename gale yra teigiamas krūvis, o kitame – neigiamas krūvis.

Vanduo yra geras polinės molekulės pavyzdys. Keičiantis kintamajam laukui, vandens molekulės bando susilyginti su lauku. Dėl šio sukimosi jie atsitrenkia į kitas molekules ir taip padidina jų temperatūrą.

Bet jei molekulių tankis mažas, jos nesusiduria su kitomis molekulėmis ir todėl negali išsklaidyti šios papildomos energijos. Tokiu atveju kintamasis laukas priverčia vandens molekules suktis vis greičiau ir galiausiai suskaidyti.

Tai procesas, kuris sukelia plazmos susidarymą. Das ir įmonė tuo naudojasi išsiurbdami orą iš savo kolbos, kad sukurtų žemą slėgį. Žemo slėgio dujos daugiausia susideda iš azoto ir deguonies, tačiau neišvengiamai yra ir keletas vandens molekulių.

Tada Daso komanda įdeda kolbą į mikrobangų krosnelę ir ją įjungia. Mikrobangos išardo kolboje esančias vandens molekules ir jas pagreitina. Jei slėgis pakankamai žemas, jie įgyja pakankamai kinetinės energijos, kad numuštų elektronus nuo azoto molekulių, ir prasideda kaskada. Taip sukuriama plazma, kuri šviečia švelnia mėlyna šviesa.

Bet tik kelioms sekundėms. Netrukus procesas pradeda skaidyti deguonies atomus, o tai sukuria purpurinę šviesą. Taigi plazma keičia spalvą.

Das ir kompanija savo eksperimentuose stebi būtent tokią spalvų raidą, nors turėjo atidžiai eksperimentuoti su slėgiu kolboje. Per daug dujų neleidžia vandens molekulėms įgyti pakankamai kinetinės energijos, kad suaktyvintų kaskadą. Per mažai dujų reiškia, kad susidūrimų tikimybė mažesnė, todėl plazma susidaro sunkiau. Dasas ir jo kolegos teigia, kad jų tikslas yra veikti toje vietoje, kur tarp šių režimų.

Kad geriau suprastų, kas vyksta, komanda išanalizavo plazmos skleidžiamos šviesos spektrą, kad atskleistų deguonies ir azoto signalą. Ir voilà - jie turi plazmą, pagamintą virtuvės mikrobangų krosnelėje.

Pasirodo, tai naudinga įvairiems dalykams, kurių kitaip neįmanoma atlikti ne specializuotose laboratorijose. Pavyzdžiui, Das ir kompanija parodo, kaip panaudoti plazmą polidimetilsiloksano arba PDMS, įprasto silicio polimero, savybėms pakeisti.

Paprastai tai yra hidrofilinė – pritraukia vandenį. Tačiau vos kelias sekundes maudant medžiagą plazmoje ji tampa hidrofobiška. Šią savybę galima kiekybiškai įvertinti išmatuojant kontaktinį kampą, kurį vandens lašas sudaro su paviršiumi. Prieš gydymą PDMS kontaktinis kampas yra 64 laipsniai. Po apdorojimo kampas padidėja iki 134 laipsnių.

Tikriausiai taip yra todėl, kad ekspozicijos metu įvairūs plazmoje esantys jonai patenka į medžiagos paviršių. Tie jonai atstumia vandenį.

Komanda toliau demonstruoja, kaip modifikuoti paviršius, kad jie taptų labiau lipnūs ir netgi pakeistų jų elektronines savybes.

Tai įdomus darbas, kurį galima atlikti ne tik bet kurioje laboratorijoje, bet ir bet kurioje virtuvėje. Tai tikrai bus naudingas mokymo metodas, tačiau jis taip pat gali leisti namų gamintojams eksperimentuoti su plazmos valymu ir ėsdymu.

Dasas ir jo kolegos daro išvadą: šie paprasti plazmos generavimo ir vėlesnio paviršiaus apdorojimo bei modifikavimo būdai gali atverti naujas galimybes atlikti tyrimus ne tik pažangiose laboratorijose, bet ir bakalauro ar net vidurinių mokyklų tyrimų laboratorijose.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1807.06784 : Buitinės mikrobangų krosnelės plazmos generavimas, skirtas paviršiaus modifikavimui ir kitoms naujoms reikmėms

paslėpti