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【趣味科普】第五期:神奇的“物質第四態”,真的可以拯救《流浪地球》嗎?

時間:2020-11-10        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,為了推動地球遷徙,人類修建了1.2萬臺地球發動機,以巖石為燃料,利用巖石中的硅等重元素進行核聚變反映,產生高溫高能的等離子體流,通過等離子體流噴射產生的巨大反沖力,成功推動地球逃出了太陽系。

那么,這擁有強大能量的“等離子體”,究竟是何方神圣呢?

01

“高深莫測”的等離子體

是物質的第四態

生活中如果我們被問到,物質有哪些狀態?

可能絕大多數人的回答會是固、液、氣三種。

然而,你身邊的“學霸”會展示出驕傲的神情:No!還有第四態——等離子體!

是的,早在19世紀中葉,物質的第四態即等離子體態就已經被William Crookes發現。

為什么絕大多數人會把等離子體排除在考慮之外呢?因為,我們平時一般只多見冰加熱融化,以及水變成蒸汽,而等離子體是一個較為專業的領域,并不是我們的常識。

怎么才能產生這種形態呢?

答案就是:對氣態物質進一步施加足夠的能量例如電場和磁場等,就能使氣態發生“電離”,變為等離子體,成為“物質的第四態”。

“電離”的原理其實并不難:我們的物質世界是由原子構成,原子是由原子核和電子構成的,原子核與原子緊密結合在一起,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:當對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”的物質,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,使云內不同部位之間,或者云與地面之間,形成了很強的電場,足以把大氣層擊穿而形成等離子體,并發出耀眼的閃光。

極光:地球磁層或太陽風,激發了高層大氣分子或原子的電離,從而產生綺麗斑斕的色彩。

事實上,等離子體是宇宙中存在最廣泛的一種物態,99.9%以上的可觀測物質都是以等離子體態存在的,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狀態,人們也制造出了各種等離子體

比如街上璀璨的霓虹燈,是由玻璃管內的特殊氣體在強電場下發生電離,而形成的一種等離子體,由于不同的氣體放電會發出不同顏色的光,因此經設計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生的等離子體,在工件與焊條兩極間的氣體持續通過強電流形成電弧等離子體,產生足以熔化金屬部件的高溫并發出強烈的光輝,從而達到連接金屬的目的。

03

等離子體在國之重器上的應用

很酷炫 很硬核!

如果說等離子體在日常生活的應用,展現了它“美麗”的一面,那么在半導體、可控核聚變、醫學等領域的應用,則可以稱之為“關鍵硬核”了。

半導體領域,等離子體技術在制造過程中發揮了巨大作用。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;

其次在刻蝕方面,等離子體技術能夠去除掉光刻機處理后殘留下的光刻膠,從而完整地將掩膜圖形復制到硅片表面。在科創版上市的中微半導體設備(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,等離子體增強氣相沉積技術可以為半導體器件提供均勻致密的納米薄膜。

等離子體的另一個硬核應用,即是國際熱核聚變實驗堆計劃(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了國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,是利用高溫等離子體實現可控核聚變,從而實現巨大能量的持續穩定輸出,解決人類社會能源問題和環境問題、推動人類社會可持續發展。

目前,我國“人造太陽”的國家大科學裝置——全超導托卡馬克核聚變實驗裝置東方超環已實現了穩定的101.2秒穩態長脈沖高約束等離子體運行,創造了新的世界紀錄,是真正的“國之重器”

此外,面向人民生命健康領域,等離子體的應用也是非常硬核。醫院所用的醫療器械消毒設備也是采用過氧化氫等離子體消毒設備,還有等離子體手術系統等。

除此之外,等離子體的清洗活化和涂層技術還可以應用工業電子、汽車交通、航空航天等領域,讓產品的親水性、粘結性等表界面性能得到有力提升。

相信隨著等離子體技術的不斷發展,“中國芯”能發展得越來越好,“人造太陽”也終將實現。更多未知的領域里,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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