時(shí)間:2020-11-08 來源:
你還記得電影《流浪地球》中,人類是怎么拯救地球的嗎?
影片中,提前衰老的太陽即將吞沒地球,為了推動(dòng)地球遷徙,人類修建了1.2萬臺(tái)地球發(fā)動(dòng)機(jī),以巖石為燃料,利用巖石中的硅等重元素進(jìn)行核聚變反映,產(chǎn)生高溫高能的等離子體流,通過等離子體流噴射產(chǎn)生的巨大反沖力,成功推動(dòng)地球逃出了太陽系。

那么,這擁有強(qiáng)大能量的“等離子體”,究竟是何方神圣呢?
01
“高深莫測”的等離子體
是物質(zhì)的第四態(tài)
生活中如果我們被問到,物質(zhì)有哪些狀態(tài)?
可能絕大多數(shù)人的回答會(huì)是固、液、氣三種。
然而,你身邊的“學(xué)霸”會(huì)展示出驕傲的神情:No!還有第四態(tài)——等離子體!
是的,早在19世紀(jì)中葉,物質(zhì)的第四態(tài)即等離子體態(tài)就已經(jīng)被William Crookes發(fā)現(xiàn)。
為什么絕大多數(shù)人會(huì)把等離子體排除在考慮之外呢?因?yàn)?,我們平時(shí)一般只多見冰加熱融化,以及水變成蒸汽,而等離子體是一個(gè)較為專業(yè)的領(lǐng)域,并不是我們的常識(shí)。
怎么才能產(chǎn)生這種形態(tài)呢?
答案就是:對(duì)氣態(tài)物質(zhì)進(jìn)一步施加足夠的能量例如電場和磁場等,就能使氣態(tài)發(fā)生“電離”,變?yōu)榈入x子體,成為“物質(zhì)的第四態(tài)”。
“電離”的原理其實(shí)并不難:我們的物質(zhì)世界是由原子構(gòu)成,原子是由原子核和電子構(gòu)成的,原子核與原子緊密結(jié)合在一起,很難分離開來。
但是將氣體加熱到一定的程度,氣體原子中的電子,就獲得了足夠的能量,這種能量使得電子能夠克服引力,逃逸出來變成自由電子,就像脫韁的野馬不受原子核的束縛。
這一使得電子與原子核分離的過程,就叫做“電離”。

簡單來說:當(dāng)對(duì)氣體施加足夠的能量,使其電子與原子核分離,就形成了等離子體。
02
等離子體并不陌生
它在生活中很常見
也許你不知道等離子體是什么,但是你一定知道雨天的閃電、美麗的極光、街邊的霓虹燈,或者修理工手中的電焊……這些“眼見為實(shí)”的物質(zhì),便是等離子體在生活中的樣子。
要說制造等離子體,大自然的“鬼斧神工”當(dāng)屬第一,閃電、極光,都是大自然的杰作:
閃電:雷雨云聚集的電荷,使云內(nèi)不同部位之間,或者云與地面之間,形成了很強(qiáng)的電場,足以把大氣層擊穿而形成等離子體,并發(fā)出耀眼的閃光。
極光:地球磁層或太陽風(fēng),激發(fā)了高層大氣分子或原子的電離,從而產(chǎn)生綺麗斑斕的色彩。

事實(shí)上,等離子體是宇宙中存在最廣泛的一種物態(tài),99.9%以上的可觀測物質(zhì)都是以等離子體態(tài)存在的,例如太陽和星際空間都是由等離子體組成的。
除了自然界的等離子體,為了更好地利用這種物質(zhì)狀態(tài),人們也制造出了各種等離子體:
比如街上璀璨的霓虹燈,是由玻璃管內(nèi)的特殊氣體在強(qiáng)電場下發(fā)生電離,而形成的一種等離子體,由于不同的氣體放電會(huì)發(fā)出不同顏色的光,因此經(jīng)設(shè)計(jì)師巧妙安排后就能組合成一幅幅五顏六色的圖案。

再比如電焊,是一種由電弧放電產(chǎn)生的等離子體,在工件與焊條兩極間的氣體持續(xù)通過強(qiáng)電流形成電弧等離子體,產(chǎn)生足以熔化金屬部件的高溫并發(fā)出強(qiáng)烈的光輝,從而達(dá)到連接金屬的目的。
03
等離子體在國之重器上的應(yīng)用
很酷炫 很硬核!
如果說等離子體在日常生活的應(yīng)用,展現(xiàn)了它“美麗”的一面,那么在半導(dǎo)體、可控核聚變、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用,則可以稱之為“關(guān)鍵硬核”了。
在半導(dǎo)體領(lǐng)域,等離子體技術(shù)在制造過程中發(fā)揮了巨大作用。以芯片制造為例,等離子體是必不可少的工序。

首先是在表面清洗活化方面,等離子體所釋放出的高能粒子可以清洗掉硅片晶圓表面的雜質(zhì);
其次在刻蝕方面,等離子體技術(shù)能夠去除掉光刻機(jī)處理后殘留下的光刻膠,從而完整地將掩膜圖形復(fù)制到硅片表面。在科創(chuàng)版上市的中微半導(dǎo)體設(shè)備(上海)股份有限公司為“中國芯”提供了有力支撐。
最值得一提的是在薄膜沉積方面,等離子體增強(qiáng)氣相沉積技術(shù)可以為半導(dǎo)體器件提供均勻致密的納米薄膜。
等離子體的另一個(gè)硬核應(yīng)用,即是國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(又稱“人造太陽”)
為解決地球的能源問題,歐盟、中國、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國共同啟動(dòng)了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃,是利用高溫等離子體實(shí)現(xiàn)可控核聚變,從而實(shí)現(xiàn)巨大能量的持續(xù)穩(wěn)定輸出,解決人類社會(huì)能源問題和環(huán)境問題、推動(dòng)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。
目前,我國“人造太陽”的國家大科學(xué)裝置——全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置東方超環(huán)已實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運(yùn)行,創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄,是真正的“國之重器”!

此外,面向人民生命健康領(lǐng)域,等離子體的應(yīng)用也是非常硬核。醫(yī)院所用的醫(yī)療器械消毒設(shè)備也是采用過氧化氫等離子體消毒設(shè)備,還有等離子體手術(shù)系統(tǒng)等。
除此之外,等離子體的清洗活化和涂層技術(shù)還可以應(yīng)用工業(yè)電子、汽車交通、航空航天等領(lǐng)域,讓產(chǎn)品的親水性、粘結(jié)性等表界面性能得到有力提升。
相信隨著等離子體技術(shù)的不斷發(fā)展,“中國芯”能發(fā)展得越來越好,“人造太陽”也終將實(shí)現(xiàn)。更多未知的領(lǐng)域里,人們也將感受到等離子體的“魔力”。甚至真的可以像《流浪地球》中所說的一樣,拯救地球,也未可知!
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原創(chuàng):葉凱 吳金娥 校稿:高明