Hoe maak je van een keukenmagnetron een plasma-etsapparaat?

Elke wetenschappelijke cursus op de middelbare school richt zich op de fundamentele toestanden van materie in de vorm van gassen, vloeistoffen en vaste stoffen - toestanden die eenvoudig te bestuderen en te manipuleren zijn. Maar er is een vierde toestand van materie waar de meeste mensen veel minder bekend mee zijn, omdat deze niet vrij op aarde bestaat.

Dit is plasma - een gas waarin elektronen zijn ontdaan van atomen. De zon is zo'n mengsel van ionen en elektronen, en een groot deel van de interstellaire ruimte is gevuld met plasma. Maar op aarde komen plasma's vaak vluchtig voor, bijvoorbeeld bij bliksem.

In de afgelopen 100 jaar zijn wetenschappers en ingenieurs deze vorm van materie echter gaan gebruiken om licht te creëren (neonlichten zijn plasma's) en om te interageren met materialen op een manier die de eigenschappen van hun oppervlakken wijzigt.

Omdat plasma's over het algemeen moeilijk te maken en te controleren zijn, zijn ze vaak beperkt tot industriële machines of gespecialiseerde laboratoria. Maar een eenvoudigere manier om plasma's te maken en te controleren, zou dat allemaal kunnen veranderen.

Binnenkomen Kausik Das van de University of Maryland Eastern Shore, en verschillende collega's die een manier hebben gevonden om plasma's te maken in een gewone keukenmagnetron. Hun techniek maakt de weg vrij voor een nieuwe generatie om met deze exotische vorm van materie te experimenteren en wellicht nieuwe toepassingen te ontwikkelen.

Eerst wat achtergrond. Een manier om plasma's te maken, is door moleculen uit elkaar te halen met behulp van krachtige elektrische velden. Hierdoor ontstaan ​​ionen die de elektrische velden vervolgens versnellen, waardoor ze tegen andere moleculen botsen. Door deze botsingen worden elektronen van de atomen geslagen, waardoor er meer ionen ontstaan.

Onder de juiste omstandigheden veroorzaakt dit proces een cascade die ervoor zorgt dat het hele gas geïoniseerd wordt.

Das en zijn collega's hebben bedacht hoe ze dit in een standaard keukenmagnetron moeten doen (ze kennen het merk niet). Ze gebruiken ook een goedkope glazen fles die zowel een vacuüm als een afdichting kan bevatten.

Keukenmicrogolven produceren elektromagnetische straling met een golflengte van ongeveer 12 centimeter. Deze golven hebben vooral invloed op polaire moleculen die aan het ene uiteinde een positieve lading hebben en aan het andere uiteinde een negatieve lading.

Water is een goed voorbeeld van een polair molecuul. Terwijl het wisselveld verandert, proberen watermoleculen zich uit te lijnen met het veld. Door deze rotatie botsen ze tegen andere moleculen, waardoor hun temperatuur stijgt.

Maar als de dichtheid van moleculen laag is, botsen ze niet tegen andere moleculen en kunnen ze deze extra energie dus niet afvoeren. In dat geval zorgt het wisselveld ervoor dat de watermoleculen steeds sneller gaan roteren en uiteindelijk uit elkaar scheuren.

Dat is het proces dat de vorming van een plasma in gang zet. Das en zijn compagnie exploiteren het door lucht uit hun fles te zuigen om een ​​lage druk te creëren. Het lagedrukgas bestaat voornamelijk uit stikstof en zuurstof, maar onvermijdelijk zijn ook enkele watermoleculen aanwezig.

Het team van Das plaatst de fles vervolgens in de magnetron en zet hem aan. De microgolven scheuren de watermoleculen in de kolf uit elkaar en versnellen ze. Als de druk laag genoeg is, krijgen ze genoeg kinetische energie om elektronen van stikstofmoleculen te slaan en begint de cascade. Hierdoor ontstaat een plasma dat gloeit met een zacht blauw licht.

Maar slechts voor een paar seconden. Al snel begint het proces zuurstofatomen uit elkaar te scheuren, waardoor een paars licht ontstaat. Dus het plasma verandert van kleur.

Das en compagnie observeren precies deze kleurevolutie in hun experimenten, hoewel ze zorgvuldig moesten experimenteren met de druk in de kolf. Te veel gas verhindert dat de watermoleculen voldoende kinetische energie krijgen om de cascade te activeren. Te weinig gas betekent dat botsingen minder waarschijnlijk zijn, waardoor een plasma moeilijker te vormen is. Das en zijn collega's zeggen dat hun doel is om op de goede plek tussen deze regimes te opereren.

Om een ​​beter idee te krijgen van wat er aan de hand is, heeft het team het lichtspectrum geanalyseerd dat door het plasma wordt geproduceerd om de veelbetekenende handtekening van zuurstof en stikstof te onthullen. En voilà - ze hebben een plasma dat wordt gegenereerd in een keukenmagnetron.

Dat blijkt handig te zijn voor allerlei dingen die anders onmogelijk zijn buiten gespecialiseerde laboratoria. Das en zijn bedrijf laten bijvoorbeeld zien hoe het plasma kan worden gebruikt om de eigenschappen van polydimethylsiloxaan of PDMS, een veelgebruikt polymeer op basis van silicium, te veranderen.

Dit is meestal hydrofiel - het trekt water aan. Maar door het materiaal slechts een paar seconden in het plasma te baden, wordt het hydrofoob. Deze eigenschap kan worden gekwantificeerd door de contacthoek te meten die een druppel water maakt met het oppervlak. Voor de behandeling heeft PDMS een contacthoek van 64 graden. Na de behandeling neemt de hoek toe tot 134 graden.

Dit komt waarschijnlijk omdat de verschillende ionen in het plasma tijdens blootstelling in het oppervlak van het materiaal worden ingebed. Die ionen stoten water af.

Het team laat verder zien hoe oppervlakken kunnen worden aangepast, zodat ze meer hechtend kunnen worden en zelfs hun elektronische eigenschappen kunnen veranderen.

Dat is interessant werk dat niet alleen in elk laboratorium maar in elke keuken kan worden gedaan. Het zal zeker een nuttige lesmethode zijn, maar het kan ook thuis makers in staat stellen om te experimenteren met plasmareiniging en etsen.

Zoals Das en zijn collega's concluderen: Deze eenvoudige technieken van plasmageneratie en daaropvolgende oppervlaktebehandeling en modificatie kunnen leiden tot nieuwe mogelijkheden om onderzoek te doen, niet alleen in geavanceerde laboratoria, maar ook in onderzoekslaboratoria voor niet-gegradueerden en zelfs middelbare scholen.

Referentie: arxiv.org/abs/1807.06784 : Plasmageneratie door huishoudelijke magnetron voor oppervlaktemodificatie en andere opkomende toepassingen

zich verstoppen