Comment transformer un four à micro-ondes de cuisine en un appareil de gravure au plasma

Chaque cours de sciences au secondaire se concentre sur les états fondamentaux de la matière sous forme de gaz, de liquides et de solides, des états faciles à étudier et à manipuler. Mais il existe un quatrième état de la matière avec lequel la plupart des gens sont beaucoup moins familiers car il n'existe pas librement sur Terre.

C'est le plasma, un gaz dans lequel les électrons ont été extraits des atomes. Le soleil est un tel mélange d'ions et d'électrons, et une grande partie de l'espace interstellaire est remplie de plasma. Mais sur Terre, les plasmas ont tendance à se produire de manière éphémère, dans la foudre, par exemple.

Cependant, au cours des 100 dernières années, les scientifiques et les ingénieurs ont commencé à exploiter cette forme de matière pour créer de la lumière (les néons sont des plasmas) et pour interagir avec les matériaux d'une manière qui modifie les propriétés de leurs surfaces.

Parce que les plasmas sont généralement difficiles à fabriquer et à contrôler, ils sont souvent confinés aux machines industrielles ou aux laboratoires spécialisés. Mais un moyen plus simple de fabriquer et de contrôler les plasmas pourrait changer tout cela.

Entrer Kausik Das de l'Université du Maryland Eastern Shore, et plusieurs collègues qui ont trouvé un moyen de créer des plasmas dans un micro-ondes de cuisine ordinaire. Leur technique ouvre la voie à une nouvelle génération pour expérimenter cette forme exotique de matière et peut-être développer de nouvelles applications.

Tout d'abord, un peu de contexte. Une façon de fabriquer des plasmas consiste à briser des molécules à l'aide de puissants champs électriques. Cela crée des ions que les champs électriques accélèrent ensuite, les faisant s'écraser sur d'autres molécules. Ces collisions font tomber les électrons des atomes, créant plus d'ions.

Dans les bonnes circonstances, ce processus déclenche une cascade qui provoque l'ionisation de tout le gaz.

Das et ses collègues ont trouvé comment faire cela dans un four à micro-ondes de cuisine standard (ils n'identifient pas la marque). Ils utilisent également un flacon en verre bon marché capable de maintenir un vide ainsi qu'un joint.

Les micro-ondes de cuisine produisent un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde d'environ 12 centimètres. Ces ondes influencent particulièrement les molécules polaires qui ont une charge positive à une extrémité et une charge négative à l'autre.

L'eau est un bon exemple de molécule polaire. Lorsque le champ alternatif change, les molécules d'eau tentent de s'aligner sur le champ. Cette rotation les fait se cogner contre d'autres molécules, augmentant ainsi leur température.

Mais si la densité des molécules est faible, elles ne se heurtent pas à d'autres molécules et ne peuvent donc pas dissiper cette énergie supplémentaire. Dans ce cas, le champ alternatif fait tourner les molécules d'eau de plus en plus vite et finit par se déchirer.

C'est le processus qui déclenche la formation d'un plasma. Das et compagnie l'exploitent en aspirant l'air de leur flacon pour créer une basse pression. Le gaz à basse pression se compose principalement d'azote et d'oxygène, mais quelques molécules d'eau sont également inévitablement présentes.

L'équipe de Das place ensuite le flacon dans le micro-ondes et l'allume. Les micro-ondes déchirent les molécules d'eau à l'intérieur du flacon et les accélèrent. Si la pression est suffisamment basse, ils gagnent suffisamment d'énergie cinétique pour éliminer les électrons des molécules d'azote, et la cascade commence. Cela crée un plasma qui brille d'une douce lumière bleue.

Mais seulement pendant quelques secondes. Bientôt, le processus commence à déchirer les atomes d'oxygène, ce qui crée une lumière violette. Ainsi, le plasma change de couleur.

Das et compagnie observent exactement cette évolution de couleur dans leurs expériences, bien qu'ils aient dû expérimenter avec soin la pression dans le flacon. Trop de gaz empêche les molécules d'eau d'acquérir suffisamment d'énergie cinétique pour déclencher la cascade. Trop peu de gaz signifie que les collisions sont moins probables, donc un plasma est plus difficile à former. Das et ses collègues affirment que leur objectif est d'opérer au juste milieu entre ces régimes.

Pour avoir une meilleure idée de ce qui se passe, l'équipe a analysé le spectre de lumière produit par le plasma pour révéler la signature révélatrice de l'oxygène et de l'azote. Et voilà, ils ont un plasma généré dans un micro-ondes de cuisine.

Cela s'avère utile pour une variété de choses qui sont autrement impossibles en dehors des laboratoires spécialisés. Par exemple, Das et sa société montrent comment utiliser le plasma pour modifier les propriétés du polydiméthylsiloxane, ou PDMS, un polymère courant à base de silicium.

Ceci est généralement hydrophile - il attire l'eau. Mais baigner le matériau dans le plasma pendant quelques secondes le rend hydrophobe. Cette propriété peut être quantifiée en mesurant l'angle de contact qu'une goutte d'eau fait avec la surface. Avant le traitement, le PDMS a un angle de contact de 64 degrés. Après traitement, l'angle augmente à 134 degrés.

Ceci est probablement dû au fait que les différents ions du plasma s'incrustent à la surface du matériau lors de l'exposition. Ces ions repoussent l'eau.

L'équipe montre ensuite comment modifier les surfaces pour qu'elles deviennent plus adhésives et même modifier leurs propriétés électroniques.

C'est un travail intéressant qui peut être fait non seulement dans n'importe quel laboratoire mais dans n'importe quelle cuisine. Ce sera certainement une méthode d'enseignement utile, mais cela peut également permettre aux fabricants à domicile d'expérimenter le nettoyage et la gravure au plasma.

Comme le concluent Das et ses collègues : ces techniques simples de génération de plasma et de traitement et de modification de surface ultérieurs peuvent ouvrir de nouvelles opportunités pour mener des recherches non seulement dans des laboratoires avancés, mais également dans des laboratoires de recherche de premier cycle et même de lycées.

Réf : arxiv.org/abs/1807.06784 : Génération de plasma par four à micro-ondes domestique pour la modification de surface et d'autres applications émergentes

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