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第五期:神奇的“物质第四态”,真的可以拯救《流浪地球》吗?

时间:2020-11-08        来源:

你还记得电影《流浪地球》中,人类是怎么拯救地球的吗?


影片中,提前衰老的太阳即将吞没地球,为了推动地球迁徙,人类修建了1.2万台地球发动机,以岩石为燃料,利用岩石中的硅等重元素进行核聚变反映,产生高温高能的等离子体流,通过等离子体流喷射产生的巨大反冲力,成功推动地球逃出了太阳系。


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那么,这拥有强大能量的“等离子体”,究竟是何方神圣呢?


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“高深莫测”的等离子体

是物质的第四态


生活中如果我们被问到,物质有哪些状态?


可能绝大多数人的回答会是固、液、气三种。


然而,你身边的“学霸”会展示出骄傲的神情:No!还有第四态——等离子体!


是的,早在19世纪中叶,物质的第四态即等离子体态就已经被William Crookes发现。


为什么绝大多数人会把等离子体排除在考虑之外呢?因为,我们平时一般只多见冰加热融化,以及水变成蒸汽,而等离子体是一个较为专业的领域,并不是我们的常识。


怎么才能产生这种形态呢?


答案就是:对气态物质进一步施加足够的能量例如电场和磁场等,就能使气态发生“电离”,变为等离子体,成为“物质的第四态”。



“电离”的原理其实并不难:我们的物质世界是由原子构成,原子是由原子核和电子构成的,原子核与原子紧密结合在一起,很难分离开来。


但是将气体加热到一定的程度,气体原子中的电子,就获得了足够的能量,这种能量使得电子能够克服引力,逃逸出来变成自由电子,就像脱缰的野马不受原子核的束缚。


这一使得电子与原子核分离的过程,就叫做“电离”。


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简单来说:当对气体施加足够的能量,使其电子与原子核分离,就形成了等离子体。



02

等离子体并不陌生

它在生活中很常见


也许你不知道等离子体是什么,但是你一定知道雨天的闪电、美丽的极光、街边的霓虹灯,或者修理工手中的电焊……这些“眼见为实”的物质,便是等离子体在生活中的样子。


要说制造等离子体,大自然的“鬼斧神工”当属第一,闪电、极光,都是大自然的杰作:


闪电:雷雨云聚集的电荷,使云内不同部位之间,或者云与地面之间,形成了很强的电场,足以把大气层击穿而形成等离子体,并发出耀眼的闪光。



极光:地球磁层或太阳风,激发了高层大气分子或原子的电离,从而产生绮丽斑斓的色彩。


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事实上,等离子体是宇宙中存在最广泛的一种物态,99.9%以上的可观测物质都是以等离子体态存在的,例如太阳和星际空间都是由等离子体组成的。


除了自然界的等离子体,为了更好地利用这种物质状态,人们也制造出了各种等离子体


比如街上璀璨的霓虹灯,是由玻璃管内的特殊气体在强电场下发生电离,而形成的一种等离子体,由于不同的气体放电会发出不同颜色的光,因此经设计师巧妙安排后就能组合成一幅幅五颜六色的图案。


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再比如电焊,是一种由电弧放电产生的等离子体,在工件与焊条两极间的气体持续通过强电流形成电弧等离子体,产生足以熔化金属部件的高温并发出强烈的光辉,从而达到连接金属的目的。



03

等离子体在国之重器上的应用

很酷炫 很硬核!


如果说等离子体在日常生活的应用,展现了它“美丽”的一面,那么在半导体、可控核聚变、医学等领域的应用,则可以称之为“关键硬核”了。


半导体领域,等离子体技术在制造过程中发挥了巨大作用。以芯片制造为例,等离子体是必不可少的工序。


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首先是在表面清洗活化方面,等离子体所释放出的高能粒子可以清洗掉硅片晶圆表面的杂质;


其次在刻蚀方面,等离子体技术能够去除掉光刻机处理后残留下的光刻胶,从而完整地将掩膜图形复制到硅片表面。在科创版上市的中微半导体设备(上海)股份有限公司为“中国芯”提供了有力支撑。


最值得一提的是在薄膜沉积方面,等离子体增强气相沉积技术可以为半导体器件提供均匀致密的纳米薄膜。


等离子体的另一个硬核应用,即是国际热核聚变实验堆计划(又称“人造太阳”) 


为解决地球的能源问题,欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国共同启动了国际热核聚变实验堆(ITER)计划,是利用高温等离子体实现可控核聚变,从而实现巨大能量的持续稳定输出,解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展。


目前,我国“人造太阳”的国家大科学装置——全超导托卡马克核聚变实验装置东方超环已实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录,是真正的“国之重器”


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此外,面向人民生命健康领域,等离子体的应用也是非常硬核。医院所用的医疗器械消毒设备也是采用过氧化氢等离子体消毒设备,还有等离子体手术系统等。


除此之外,等离子体的清洗活化和涂层技术还可以应用工业电子、汽车交通、航空航天等领域,让产品的亲水性、粘结性等表界面性能得到有力提升。


相信随着等离子体技术的不断发展,“中国芯”能发展得越来越好,“人造太阳”也终将实现。更多未知的领域里,人们也将感受到等离子体的“魔力”。甚至真的可以像《流浪地球》中所说的一样,拯救地球,也未可知!



参考文献:

[1]吴剑青,玄武岩纤维在汽车行业上的应用前景[J]。产业用纺织品,2012(4):26-28

[2]万宝年,徐国盛,EAST超导托卡马克[J]。科学通报,2015(23): 2157-2168

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[4]董春林,吴林,邵亦陈,穿孔等离子弧焊发展历史与现状[J]。中国机械工程,2000,11(5): 577-581

[5]陈丽梅,李强,等离子喷涂技术现状及发展[J]。热处理技术与装备,2006,27(1): 1-5

[6]戴忠玲,毛明,王友年,等离子体刻蚀工艺的物理基础[J]。物理,2006,35(8): 693-698

[7]卢新培,等离子体射流及其医学应用[J]。高电压技术,2011,37(6): 1416-1425




原创:叶凯 吴金娥   校稿:高明


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