Come trasformare un forno a microonde da cucina in un dispositivo per incisione al plasma

Ogni corso di scienze delle scuole superiori si concentra sugli stati fondamentali della materia sotto forma di gas, liquidi e solidi, stati semplici da studiare e manipolare. Ma c'è un quarto stato della materia che la maggior parte delle persone conosce molto meno perché non esiste liberamente sulla Terra.

Questo è il plasma, un gas in cui gli elettroni sono stati strappati dagli atomi. Il sole è una tale miscela di ioni ed elettroni e gran parte dello spazio interstellare è pieno di plasma. Ma sulla Terra, i plasmi tendono a manifestarsi fugacemente, ad esempio nei fulmini.

Tuttavia, negli ultimi 100 anni, scienziati e ingegneri hanno iniziato a sfruttare questa forma di materia per creare luce (le luci al neon sono plasmi) e per interagire con i materiali in un modo che modifica le proprietà delle loro superfici.

Poiché i plasmi sono generalmente difficili da produrre e controllare, sono spesso confinati a macchinari industriali o laboratori specializzati. Ma un modo più semplice per produrre e controllare i plasmi potrebbe cambiare tutto questo.

accedere Kausik Das della University of Maryland Eastern Shore e diversi colleghi che hanno trovato un modo per creare plasmi in un normale forno a microonde da cucina. La loro tecnica apre la strada a una nuova generazione per sperimentare questa forma esotica della materia e forse per sviluppare nuove applicazioni.

Innanzitutto, un po' di background. Un modo per produrre plasmi è rompere le molecole usando potenti campi elettrici. Questo crea ioni che i campi elettrici poi accelerano, facendoli schiantare contro altre molecole. Queste collisioni staccano gli elettroni dagli atomi, creando più ioni.

Nelle giuste circostanze, questo processo innesca una cascata che provoca la ionizzazione dell'intero gas.

Das e i suoi colleghi hanno scoperto come farlo in un normale forno a microonde da cucina (non identificano il marchio). Usano anche una fiaschetta di vetro economica in grado di contenere il vuoto oltre che un sigillo.

I microonde da cucina producono radiazioni elettromagnetiche con una lunghezza d'onda di circa 12 centimetri. Queste onde influenzano in particolare le molecole polari che hanno una carica positiva a un'estremità e una carica negativa all'altra.

L'acqua è un buon esempio di molecola polare. Quando il campo alternato cambia, le molecole d'acqua tentano di allinearsi con il campo. Questa rotazione li fa urtare contro altre molecole, aumentando così la loro temperatura.

Ma se la densità delle molecole è bassa, non si scontrano con altre molecole e quindi non possono dissipare questa energia extra. In tal caso, il campo alternato fa sì che le molecole d'acqua ruotino sempre più velocemente e alla fine si lacerino.

Questo è il processo che innesca la formazione di un plasma. Das e compagnia lo sfruttano aspirando aria dalla loro fiaschetta per creare una bassa pressione. Il gas a bassa pressione è costituito principalmente da azoto e ossigeno, ma inevitabilmente sono presenti anche alcune molecole d'acqua.

La squadra di Das mette quindi il pallone nel microonde e lo accende. Le microonde fanno a pezzi le molecole d'acqua all'interno del pallone e le accelerano. Se la pressione è sufficientemente bassa, ottengono abbastanza energia cinetica per staccare gli elettroni dalle molecole di azoto e inizia la cascata. Questo crea un plasma che brilla di una morbida luce blu.

Ma solo per pochi secondi. Presto il processo inizia a distruggere gli atomi di ossigeno, creando una luce viola. Quindi il plasma cambia colore.

Das e compagnia osservano esattamente questa evoluzione del colore nei loro esperimenti, anche se hanno dovuto sperimentare attentamente la pressione nel pallone. Troppo gas impedisce alle molecole d'acqua di acquisire energia cinetica sufficiente per innescare la cascata. Troppo poco gas significa che le collisioni sono meno probabili, quindi un plasma è più difficile da formare. Das e i suoi colleghi affermano che il loro obiettivo è quello di operare nel punto debole tra questi regimi.

Per avere un'idea migliore di cosa sta succedendo, il team ha analizzato lo spettro di luce prodotto dal plasma per rivelare la firma rivelatrice di ossigeno e azoto. E voilà, hanno un plasma generato in un forno a microonde da cucina.

Ciò si rivela utile per una varietà di cose che altrimenti sarebbero impossibili al di fuori dei laboratori specializzati. Ad esempio, Das e la società mostrano come utilizzare il plasma per modificare le proprietà del polidimetilsilossano, o PDMS, un comune polimero a base di silicio.

Questo di solito è idrofillico: attira l'acqua. Ma bagnare il materiale nel plasma per pochi secondi lo rende idrofobico. Questa proprietà può essere quantificata misurando l'angolo di contatto che una goccia d'acqua forma con la superficie. Prima del trattamento, il PDMS ha un angolo di contatto di 64 gradi. Dopo il trattamento, l'angolo aumenta a 134 gradi.

Ciò è probabilmente dovuto al fatto che i vari ioni nel plasma vengono incorporati nella superficie del materiale durante l'esposizione. Questi ioni respingono l'acqua.

Il team continua mostrando come modificare le superfici in modo che possano diventare più adesive e persino modificare le loro proprietà elettroniche.

È un lavoro interessante che può essere svolto non solo in qualsiasi laboratorio, ma in qualsiasi cucina. Sarà sicuramente un metodo di insegnamento utile, ma potrebbe anche consentire ai produttori domestici di sperimentare la pulizia e l'incisione al plasma.

Come concludono Das e i suoi colleghi: queste semplici tecniche di generazione del plasma e il successivo trattamento e modifica della superficie possono portare a nuove opportunità per condurre la ricerca non solo nei laboratori avanzati, ma anche nei laboratori di ricerca universitari e persino delle scuole superiori.

Rif: arxiv.org/abs/1807.06784 : Generazione di plasma dal forno a microonde domestico per la modifica della superficie e altre applicazioni emergenti

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