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來自馬里蘭大學的Benjamin Barnes和他的同事發(fā)現(xiàn)了用微波爐制造等離子的方法。這是非常有意義的，它使一些工作脫離了專業(yè)實驗室里也能做，比如在廚房里，或者在本科甚至是高中研究實驗室中。本文經授權譯自MIT Technology Review原標題為" How to turn a kitchen microwave into a plasma-etching device"的文章。

在我們學過的所有高中課本中，物質的基本狀態(tài)基本就是以下三種：氣體、液體和固體，這些狀態(tài)是直觀的，而且是可控的。但是，物質其實還有第四種存在狀態(tài)，這種狀態(tài)大多數(shù)人都不太熟悉，因為它在地球上是不能自由存在的。

那就是等離子體，這是一種電子從原子中剝離出來的氣體。（等離子體又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質，其運動主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導電體，利用經過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。）太陽就是由離子和電子組成的，而且在宇宙空間中，大部分都充滿了等離子體。但在地球上，等離子體并不是物質存在的常態(tài)，等離子體在地球上傾向于短暫存在，例如在閃電中。

然而，在過去的100年里，科學家和工程師們就開始利用這種形式的物質來創(chuàng)造光（氖燈是等離子體），并以一種改變其表面特性的方式與材料進行交互。

因為等離子體通常很難制造和控制，所以它們通常被限制在工業(yè)機械領域或專門的實驗室里。但是，一種用來制造和控制等離子體的更簡單的方法改變了現(xiàn)狀。

馬里蘭大學的Benjamin Barnes和他的幾位同事找到了用普通的廚房微波爐制造等離子體的方法。他們的技術開辟了全新的研究這種奇特物質的方法，也許為它們的應用開辟了道路。

首先,我們需要了解一些知識背景。制造等離子體的一種方法是用強大的電場分解分子。這就產生了離子，然后電場加速離子，導致它們撞向其他分子。這些碰撞使電子脫離原子，產生更多的離子。

在適當?shù)那闆r下，這個過程會觸發(fā)一系列反應，導致整個氣體被電離。

Barnes和他的同事們研究出了如何在標準的廚房微波爐中做到這一點。他們還用到了一個廉價的玻璃燒瓶，用來保持真空和密封。

廚房微波爐產生的長在12厘米左右。這些電磁輻射波特別影響一端帶正電，另一端帶負電的極性分子。

水分子是極性分子的一個很好的例子。當交變磁場發(fā)生變化時，水分子試圖與磁場保持一致。分子旋轉過程中使他們撞向其他分子，從而提高了水的溫度。

但是如果分子的密度很低，他們就不會撞到其他分子，因此也無法消耗這些額外的能量。在這種情況下，交替場會使水分子旋轉得更快，最終破裂。

這就是觸發(fā)等離子體形成的過程。Barnes和他的同事利用這種方法從燒瓶中吸出空氣造成低壓。低壓氣體主要由氮氣和氧氣組成，但也不可避免地會有一些水分子。

然后，Barnes的團隊把燒瓶放在微波爐里，然后打開微波爐。微波撕裂了燒瓶內的水分子并使燒瓶中的粒子加速。如果壓強足夠低，它們就會獲得足夠的動能，將電子從氮分子中分離出來，然后就會發(fā)生一系列的反應。這就產生了一種能發(fā)出柔和藍光的等離子體。

但這個階段只持續(xù)幾秒鐘。很快，這個過程就開始撕裂氧原子，形成了紫色的光，使等離子體改變顏色。

Barnes團隊在他們的實驗中確切觀察到了這種顏色的變化，盡管他們必須小心地控制燒瓶中的壓力。過多的氣體會阻止水分子獲得足夠的動能來觸發(fā)系列反應。

而氣體過少則意味著碰撞的可能性更小，所以等離子體更難形成。Barnes和他的同事們說，他們的目標是在權衡利弊，找到最佳的氣體含量。

為了更好地了解實驗現(xiàn)象，研究小組分析了等離子體產生光的光譜，以揭示氧氣和氮氣的特征。并且他們用廚房里的微波爐里制造出了等離子體。

這是非常有意義的，使一些工作不在專業(yè)實驗室里也能做。例如，Barnes團隊展示了如何使用等離子體來改變聚二甲基硅氧烷的特性，即PDMS，這是一種常見的硅基聚合物。

通常來講，它具有親水性，但是在等離子體中浸泡幾秒鐘就會使它變得具有疏水性。通過測量水滴與表面的接觸角度，可以對該屬性進行量化。在浸泡前，PDMS與水滴的接觸角是64度，而浸泡后，角度增加到134度。

這可能是因為在接觸過程中，等離子體中的各種離子會嵌入到材料表面，而這些離子是排斥水的。

該團隊繼續(xù)展示如何改變表面，使其更具粘性，甚至可以改變其電子屬性。

這是一項有趣的工作，不僅可以發(fā)生在實驗室里，也可以在廚房里完成。這肯定能成為一種有用的教學方法，而且它也可以讓家居制造商進行等離子清洗和蝕刻實驗。

正如Barnes和他的同事們總結的那樣：“這種簡單的等離子體生成技術和隨后的表面處理改進可能會帶來新的機會，使大家不僅能在先進的實驗室，而且在本科甚至是高中研究實驗室中都能進行相關研究?！?/p>