Al abordar los estados fundamentales de la materia en la escuela, las clases suelen centrarse en los gases, los líquidos y los sólidos, los tres estados más fáciles de estudiar y manipular. Pero hay un cuarto estado de la materia con el que la mayoría de la gente está menos familiarizada porque no se da de forma libre en la Tierra.

Se trata del plasma, un fluido similar al gas pero en el que los electrones han sido despojados de los átomos. El Sol es una mezcla similar de iones y electrones, y gran parte del espacio interestelar está lleno de plasma. Pero en la Tierra, el plasma solo suele aparecer de forma fugaz, por ejemplo, en un rayo.

Sin embargo, en los últimos 100 años, 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 para modificar las propiedades de sus superficies.

Gráfico: Espectro del plasma creado mediante efecto corona (azul) / Espectro del plasma creado mediante un microondas (naranja).

Debido a que el plasma suele ser complicado fabricar y manipular, suele estar confinado en maquinaria industrial y laboratorios especializados. Para poder ampliar la disponibilidad del plasma haría falta una forma más fácil de fabricarlo y controlarlo.

Y eso es justo lo que parece haber logrado el equipo del investigador de la Universidad de Maryland (EE. UU.) Benjamin Barnes con un simple microondas. Su técnica podría dar lugar a una nueva generación de experimentos y aplicaciones basados en esta forma exótica de materia.

Primero, algo de contexto. Una forma de crear plasma consiste en separar las moléculas mediante potentes campos eléctricos. Este proceso produce iones que pueden ser acelerados por los campos eléctricos para que colisionen con otras moléculas. Estas colisiones eliminan electrones de los átomos, produciendo más iones. En las condiciones adecuadas, este proceso desencadena una cascada que ioniza todo el gas.

Barnes y su equipo han averiguado cómo replicar todo esto en un horno de microondas estándar de cocina (no mencionan la marca) y un frasco de vidrio barato capaz de cerrarse al vacío herméticamente.

Los microondas de cocina producen radiación electromagnética con una longitud de onda de alrededor de 12 centímetros. Estas ondas influyen particularmente en las moléculas polares, que son las que tienen una carga positiva en un extremo y una carga negativa en el otro. El agua es un buen ejemplo de molécula polar. A medida que el campo electromagnético alterno cambia, las moléculas de agua intentan alinearse con el campo. Esta rotación las hace chocar con otras moléculas, lo que aumenta su temperatura.

Pero si la densidad de las moléculas es baja, las de agua no tienen otras con las que chocar y, por lo tanto, no pueden disipar esta energía extra. En ese caso, el campo alterno las hace girar cada vez más rápido hasta que se rompen.

Este es el proceso que desencadena la formación de un plasma. Así que Barnes y su equipo lo han replicado expulsando aire de un matraz para crear un contenedor a baja presión. El gas a baja presión está formado principalmente por nitrógeno y oxígeno, pero es inevitable que también haya algunas moléculas de agua.

El equipo de Barnes coloca el matraz en el microondas y lo enciende. Las microondas rompen y aceleran las moléculas de agua que hay dentro del matraz. Si la presión es lo suficientemente baja, adquieren suficiente energía cinética para eliminar los electrones de las moléculas de nitrógeno y comienza la cascada.

El resultado es un plasma que brilla con una luz azul suave, pero solo dura unos segundos. En seguida, los átomos de oxígeno empiezan a desintegrarse, lo que genera una luz púrpura. El plasma cambia de color.

Barnes y su equipo observaron detalladamente esta evolución del color en sus experimentos, y tuvieron mucho cuidado con la presión en el matraz. Si hay demasiado, las moléculas de agua no pueden adquirir suficiente energía cinética para desencadenar la cascada. Pero si hay poco, las colisiones son menos probables, por lo que cuesta más crear plasma. Barnes y su equipo afirman que su objetivo es operar en el punto óptimo entre estas dos situaciones.

Para entender mejor el proceso, el equipo ha analizado el espectro de la luz producida por el plasma para revelar la distintiva señal de oxígeno y nitrógeno. Y voilà, el resultado es un plasma generado en el microondas de una cocina.

Su avance podría resultar útil en una variedad de cosas que de otro modo serían imposibles fuera de los laboratorios especializados. Por ejemplo, Barnes y su equipo muestran cómo usar el plasma para cambiar las propiedades del polidimetilsiloxano (PDMS), un polímero común basado en silicio.

Este compuesto suele ser hidrófilo (atrae el agua), pero si se baña en el plasma durante unos pocos segundos se vuelve hidrófobo (repele el agua). Esta propiedad se puede medir mediante el ángulo de contacto que hace una gota de agua con la superficie. Antes del tratamiento, el PDMS tiene un ángulo de contacto de 64 °. Después del tratamiento, el ángulo aumenta a 134 °.

Este cambio probablemente se debe a que los diversos iones del plasma se incrustan en la superficie del material durante la exposición; y son esos iones los que repelen el agua. El siguiente paso del equipo consiste en mostrar cómo modificar las superficies para ser más adhesivas e incluso cambiar sus propiedades electrónicas.

Es un trabajo interesante que no solo se puede hacer en cualquier laboratorio sino en cualquier cocina. Además de convertirse en un método de enseñanza útil, la técnica también puede permitir que los fabricantes que trabajan en el hogar experimenten con la limpieza y el grabado de plasma.

La investigación concluye: "Estas sencillas técnicas de generación de plasma y subsiguiente tratamiento y modificación de superficies pueden conducir a nuevas oportunidades para realizar investigaciones no solo en laboratorios avanzados, sino también en laboratorios de investigación de pregrado e incluso de secundaria".

Ref: arxiv.org/abs/1807.06784 : Plasma Generation by Household Microwave Oven for Surface Modification and Other Emerging Applications