Kā virtuves mikroviļņu krāsni pārvērst par plazmas kodināšanas ierīci

Katrs vidusskolas dabaszinātņu kurss koncentrējas uz matērijas pamatstāvokļiem gāzu, šķidrumu un cietvielu veidā — stāvokļiem, kurus ir viegli izpētīt un ar kuriem manipulēt. Taču ir ceturtais matērijas stāvoklis, ar kuru lielākā daļa cilvēku ir daudz mazāk pazīstami, jo uz Zemes tas brīvi nepastāv.

Tā ir plazma — gāze, kurā elektroni ir atdalīti no atomiem. Saule ir šāds jonu un elektronu maisījums, un liela daļa starpzvaigžņu telpas ir piepildīta ar plazmu. Bet uz Zemes plazmas mēdz parādīties īslaicīgi, piemēram, zibens laikā.

Tomēr pēdējo 100 gadu laikā zinātnieki un inženieri ir sākuši izmantot šo matērijas formu, lai radītu gaismu (neona gaismas ir plazmas) un mijiedarbotos ar materiāliem tādā veidā, kas maina to virsmu īpašības.

Tā kā plazmas parasti ir grūti izgatavot un kontrolēt, tās bieži izmanto tikai rūpnieciskās iekārtās vai specializētās laboratorijās. Bet vieglāks veids, kā izgatavot un kontrolēt plazmas, varētu to visu mainīt.

Ievadiet Kausik Das Merilendas Austrumkrasta universitātes un vairāki kolēģi, kuri ir atraduši veidu, kā parastā virtuves mikroviļņu krāsnī izveidot plazmas. Viņu tehnika paver ceļu jaunai paaudzei eksperimentēt ar šo eksotisko matērijas formu un, iespējams, izstrādāt jaunus lietojumus.

Pirmkārt, nedaudz fona. Viens no veidiem, kā iegūt plazmas, ir sadalīt molekulas, izmantojot spēcīgus elektriskos laukus. Tas rada jonus, kurus elektriskie lauki pēc tam paātrina, izraisot to sabrukšanu citās molekulās. Šīs sadursmes izsit elektronus no atomiem, radot vairāk jonu.

Pareizos apstākļos šis process izraisa kaskādi, kas izraisa visas gāzes jonizāciju.

Das un viņa kolēģi ir izstrādājuši, kā to izdarīt standarta virtuves mikroviļņu krāsnī (viņi neatpazīst zīmolu). Viņi izmanto arī lētu stikla kolbu, kas spēj noturēt vakuumu, kā arī blīvējumu.

Virtuves mikroviļņu krāsnis rada elektromagnētisko starojumu, kura viļņa garums ir aptuveni 12 centimetri. Šie viļņi īpaši ietekmē polārās molekulas, kurām vienā galā ir pozitīvs lādiņš, bet otrā – negatīvs lādiņš.

Ūdens ir labs polārās molekulas piemērs. Mainoties mainīgajam laukam, ūdens molekulas mēģina saskaņot sevi ar lauku. Šī rotācija liek tiem sadurties ar citām molekulām, tādējādi paaugstinot to temperatūru.

Bet, ja molekulu blīvums ir zems, tās nesaskaras ar citām molekulām un tādējādi nevar izkliedēt šo papildu enerģiju. Tādā gadījumā mainīgais lauks liek ūdens molekulām griezties arvien ātrāk un galu galā saplīst.

Tas ir process, kas izraisa plazmas veidošanos. Das un uzņēmums to izmanto, izsūcot gaisu no kolbas, lai radītu zemu spiedienu. Zema spiediena gāze galvenokārt sastāv no slāpekļa un skābekļa, taču neizbēgami ir arī dažas ūdens molekulas.

Pēc tam Das komanda ievieto kolbu mikroviļņu krāsnī un ieslēdz to. Mikroviļņi sadala ūdens molekulas kolbā un paātrina tās. Ja spiediens ir pietiekami zems, tie iegūst pietiekami daudz kinētiskās enerģijas, lai izsist elektronus no slāpekļa molekulām, un sākas kaskāde. Tas rada plazmu, kas spīd ar maigu zilu gaismu.

Bet tikai uz dažām sekundēm. Drīz process sāk plosīt skābekļa atomus, kas rada purpursarkanu gaismu. Tātad plazma maina krāsu.

Das un kompānija savos eksperimentos ievēro tieši šādu krāsu evolūciju, lai gan viņiem bija rūpīgi jāeksperimentē ar spiedienu kolbā. Pārāk daudz gāzes neļauj ūdens molekulām iegūt pietiekami daudz kinētiskās enerģijas, lai iedarbinātu kaskādi. Pārāk maz gāzes nozīmē, ka sadursmju iespējamība ir mazāka, tāpēc plazmu veidoties ir grūtāk. Das un viņa kolēģi saka, ka viņu mērķis ir darboties izdevīgā vietā starp šiem režīmiem.

Lai iegūtu labāku priekšstatu par notiekošo, komanda ir analizējusi plazmas radītās gaismas spektru, lai atklātu skābekļa un slāpekļa signālu. Un voilà — viņiem ir virtuves mikroviļņu krāsnī radīta plazma.

Tas izrādās noderīgs dažādām lietām, kas citādi nav iespējamas ārpus specializētām laboratorijām. Piemēram, Das un uzņēmums parāda, kā izmantot plazmu, lai mainītu polidimetilsiloksāna jeb PDMS, parastā silīcija polimēra īpašības.

Tas parasti ir hidrofilisks - tas piesaista ūdeni. Bet materiāla peldēšana plazmā tikai dažas sekundes padara to hidrofobisku. Šo īpašību var kvantitatīvi noteikt, izmērot saskares leņķi, ko ūdens piliens veido ar virsmu. Pirms ārstēšanas PDMS saskares leņķis ir 64 grādi. Pēc apstrādes leņķis palielinās līdz 134 grādiem.

Iespējams, tas ir tāpēc, ka dažādie plazmas joni iedarbības laikā tiek iestrādāti materiāla virsmā. Šie joni atgrūž ūdeni.

Komanda turpina parādīt, kā pārveidot virsmas, lai tās kļūtu lipīgākas un pat mainītu to elektroniskās īpašības.

Tas ir interesants darbs, ko var veikt ne tikai jebkurā laboratorijā, bet jebkurā virtuvē. Tā noteikti būs noderīga mācību metode, taču tā var arī ļaut mājas veidotājiem eksperimentēt ar plazmas tīrīšanu un kodināšanu.

Kā secina Das un viņa kolēģi: šīs vienkāršās plazmas ģenerēšanas un sekojošās virsmas apstrādes un modifikācijas metodes var radīt jaunas iespējas veikt pētījumus ne tikai progresīvās laboratorijās, bet arī bakalaura un pat vidusskolas pētniecības laboratorijās.

Atsauce: arxiv.org/abs/1807.06784 : plazmas ģenerēšana sadzīves mikroviļņu krāsnī virsmas modificēšanai un citiem jauniem lietojumiem

paslēpties