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キッチンの電子レンジをプラズマエッチング装置に変える方法
すべての高校の科学コースは、気体、液体、固体の形で物質の基本的な状態に焦点を当てています。これらの状態は、研究と操作が簡単です。しかし、地球上に自由に存在しないため、ほとんどの人があまり馴染みのない第4の物質の状態があります。
これはプラズマであり、電子が原子から取り除かれたガスです。太陽はそのようなイオンと電子の混合物であり、星間空間の多くはプラズマで満たされています。しかし、地球上では、プラズマは一瞬で発生する傾向があります。たとえば、雷などです。
しかし、過去100年間で、科学者やエンジニアはこの形態の物質を利用して光を生成し（ネオンライトはプラズマです）、表面の特性を変更する方法で材料と相互作用し始めました。
プラズマは一般に製造と制御が難しいため、多くの場合、産業機械や専門のラボに限定されています。しかし、プラズマを作成および制御するためのより簡単な方法は、それをすべて変える可能性があります。
入力 カウシク・ダス メリーランド大学イースタンショア校、および通常のキッチン電子レンジでプラズマを生成する方法を見つけた数人の同僚。彼らの技術は、新しい世代がこのエキゾチックな形の物質を実験し、おそらく新しいアプリケーションを開発するための道を開きます。
まず、いくつかの背景。プラズマを作る一つの方法は、強力な電場を使って分子を分解することです。これによりイオンが生成され、電場が加速して他の分子に衝突します。これらの衝突は電子を原子からノックオフし、より多くのイオンを生成します。
適切な状況では、このプロセスによってカスケードがトリガーされ、ガス全体がイオン化されます。
Dasと彼の同僚は、標準的なキッチンの電子レンジでこれを行う方法を考案しました（彼らはブランドを特定していません）。彼らはまた、真空とシールを保持することができる安価なガラスフラスコを使用しています。
キッチンの電子レンジは、約12センチメートルの波長の電磁放射を生成します。これらの波は、一方の端に正の電荷を持ち、もう一方の端に負の電荷を持つ極性分子に特に影響を与えます。
水は極性分子の良い例です。交互のフィールドが変化すると、水分子はフィールドと整列しようとします。この回転により、それらは他の分子にぶつかり、それによってそれらの温度が上昇します。
しかし、分子の密度が低い場合、それらは他の分子にぶつからないため、この余分なエネルギーを散逸させることはできません。その場合、交互の場により、水分子はこれまでになく速く回転し、最終的には裂けます。
それがプラズマの形成を引き起こすプロセスです。 Dasと会社は、フラスコから空気を吸引して低圧を作り出すことでそれを利用しています。低圧ガスは主に窒素と酸素で構成されていますが、必然的にいくつかの水分子も存在します。
Dasのチームは、フラスコを電子レンジに入れてスイッチを入れます。マイクロ波はフラスコ内の水分子を引き裂き、それらを加速します。圧力が十分に低い場合、それらは窒素分子から電子をノックオフするのに十分な運動エネルギーを獲得し、カスケードが始まります。これにより、柔らかな青色の光で光るプラズマが生成されます。
しかし、ほんの数秒間。すぐにプロセスは酸素原子を引き裂き始め、それが紫色の光を作り出します。そのため、プラズマの色が変わります。
Dasと会社は、フラスコ内の圧力を注意深く実験する必要がありましたが、実験でこの色の変化を正確に観察しています。ガスが多すぎると、水分子がカスケードをトリガーするのに十分な運動エネルギーを得ることができなくなります。ガスが少なすぎると、衝突の可能性が低くなるため、プラズマの形成がより困難になります。 Dasと彼の同僚は、彼らの目標はこれらの体制の間のスイートスポットで活動することであると言います。
何が起こっているのかをよりよく理解するために、チームはプラズマによって生成された光のスペクトルを分析して、酸素と窒素の明確な特徴を明らかにしました。そしてvoilà—彼らは台所の電子レンジで生成されたプラズマを持っています。
これは、専門のラボ以外では不可能なさまざまなことに役立つことがわかりました。たとえば、Dasとその会社は、プラズマを使用して、一般的なシリコンベースのポリマーであるポリジメチルシロキサン（PDMS）の特性を変更する方法を示しています。
これは通常水生植物であり、水を引き付けます。しかし、プラズマに材料をほんの数秒間浸すと、疎水性になります。この特性は、一滴の水が表面となす接触角を測定することで定量化できます。治療前のPDMSの接触角は64度です。治療後、角度は134度に増加します。
これは、プラズマ中のさまざまなイオンが露光中に材料の表面に埋め込まれるようになるためと考えられます。それらのイオンは水をはじきます。
チームはさらに、表面を修正して接着性を高め、電子特性を変更する方法を示します。
これは、ラボだけでなくキッチンでも実行できる興味深い作業です。それは確かに有用な教授法になるでしょうが、それはまた、在宅メーカーがプラズマ洗浄とエッチングを実験することを可能にするかもしれません。
Dasと彼の同僚は、次のように結論付けています。プラズマ生成とそれに続く表面処理および改質のこれらの単純な技術は、高度な研究室だけでなく、学部や高校の研究室でも研究を行う新しい機会につながる可能性があります。
参照： arxiv.org/abs/1807.06784 ：表面改質およびその他の新たな用途のための家庭用電子レンジによるプラズマ生成