Cómo convertir un microondas de cocina en un dispositivo de grabado de plasma

Todos los cursos de ciencias de la escuela secundaria se centran en los estados fundamentales de la materia en forma de gases, líquidos y sólidos, estados que son fáciles de estudiar y manipular. Pero hay un cuarto estado de la materia con el que la mayoría de la gente está mucho menos familiarizada porque no existe libremente en la Tierra.

Esto es plasma, un gas en el que los electrones han sido despojados de los átomos. El sol es una mezcla de iones y electrones, y gran parte del espacio interestelar está lleno de plasma. Pero en la Tierra, los plasmas tienden a ocurrir fugazmente, en rayos, por ejemplo.

Sin embargo, en los últimos 100 años, los científicos e ingenieros han comenzado a explotar esta forma de materia para crear luz (las luces de neón son plasmas) y para interactuar con los materiales de una manera que modifica las propiedades de sus superficies.

Debido a que los plasmas son generalmente difíciles de fabricar y controlar, a menudo se limitan a maquinaria industrial o laboratorios especializados. Pero una forma más fácil de fabricar y controlar plasmas podría cambiar todo eso.

Ingresar Kausik Das de la Universidad de Maryland Eastern Shore, y varios colegas que han encontrado una manera de crear plasmas en un microondas de cocina común. Su técnica abre el camino para que una nueva generación experimente con esta exótica forma de materia y quizás desarrolle nuevas aplicaciones.

Primero, algunos antecedentes. Una forma de hacer plasmas es romper moléculas utilizando campos eléctricos potentes. Esto crea iones que luego los campos eléctricos aceleran, haciendo que se estrellen contra otras moléculas. Estas colisiones eliminan electrones de los átomos, creando más iones.

En las circunstancias adecuadas, este proceso desencadena una cascada que hace que todo el gas se ionice.

Das y sus colegas han descubierto cómo hacer esto en un horno de microondas de cocina estándar (no identifican la marca). También usan un frasco de vidrio barato capaz de contener un vacío y un sello.

Los microondas de cocina producen radiación electromagnética con una longitud de onda de unos 12 centímetros. Estas ondas influyen particularmente en las moléculas polares que tienen una carga positiva en un extremo y una carga negativa en el otro.

El agua es un buen ejemplo de una molécula polar. A medida que cambia el campo alterno, las moléculas de agua intentan alinearse con el campo. Esta rotación hace que choquen con otras moléculas, elevando así su temperatura.

Pero si la densidad de las moléculas es baja, no chocan con otras moléculas y, por lo tanto, no pueden disipar esta energía adicional. En ese caso, el campo alterno hace que las moléculas de agua giren cada vez más rápido y finalmente se rompan.

Ese es el proceso que desencadena la formación de un plasma. Das y compañía lo explotan succionando aire de su matraz para crear una baja presión. El gas a baja presión se compone principalmente de nitrógeno y oxígeno, pero inevitablemente también están presentes algunas moléculas de agua.

Luego, el equipo de Das coloca el matraz en el microondas y lo enciende. Las microondas rompen las moléculas de agua dentro del matraz y las aceleran. Si la presión es lo suficientemente baja, obtienen suficiente energía cinética para eliminar los electrones de las moléculas de nitrógeno y comienza la cascada. Esto crea un plasma que brilla con una luz azul suave.

Pero solo por unos segundos. Pronto, el proceso comienza a desgarrar los átomos de oxígeno, lo que crea una luz púrpura. Entonces el plasma cambia de color.

Das y compañía observan exactamente esta evolución de color en sus experimentos, aunque tuvieron que experimentar cuidadosamente con la presión en el matraz. Demasiado gas impide que las moléculas de agua obtengan suficiente energía cinética para desencadenar la cascada. Muy poco gas significa que las colisiones son menos probables, por lo que es más difícil formar un plasma. Das y sus colegas dicen que su objetivo es operar en el punto óptimo entre estos regímenes.

Para tener una mejor idea de lo que está pasando, el equipo analizó el espectro de luz producido por el plasma para revelar la firma reveladora de oxígeno y nitrógeno. Y voilà, tienen un plasma generado en un microondas de cocina.

Eso resulta ser útil para una variedad de cosas que de otro modo serían imposibles fuera de los laboratorios especializados. Por ejemplo, Das y compañía muestran cómo usar el plasma para cambiar las propiedades del polidimetilsiloxano o PDMS, un polímero común a base de silicio.

Esto suele ser hidrofílico: atrae el agua. Pero bañar el material en el plasma durante solo unos segundos lo vuelve hidrofóbico. Esta propiedad se puede cuantificar midiendo el ángulo de contacto que forma una gota de agua con la superficie. Antes del tratamiento, el PDMS tiene un ángulo de contacto de 64 grados. Después del tratamiento, el ángulo aumenta a 134 grados.

Esto probablemente se deba a que los diversos iones del plasma se incrustan en la superficie del material durante la exposición. Esos iones repelen el agua.

El equipo continúa mostrando cómo modificar las superficies para que puedan volverse más adhesivas e incluso cambiar sus propiedades electrónicas.

Ese es un trabajo interesante que se puede hacer no solo en cualquier laboratorio sino en cualquier cocina. Sin duda, será un método de enseñanza útil, pero también puede permitir que los fabricantes en casa experimenten con la limpieza y el grabado con plasma.

Como concluyen Das y sus colegas: Estas técnicas simples de generación de plasma y el posterior tratamiento y modificación de la superficie pueden generar nuevas oportunidades para realizar investigaciones no solo en laboratorios avanzados, sino también en laboratorios de investigación de pregrado e incluso de escuela secundaria.

Ref: arxiv.org/abs/1807.06784 : Generación de plasma por horno de microondas doméstico para la modificación de superficies y otras aplicaciones emergentes

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