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狂飙里最狠的角色不是高启强，而是那台被砸的电视？

日期： 来源：生活中的化学收集编辑：程诚 蔡其敏

来源：“科学大院”公众号（ID：kexuedayuan）

作者：程诚 蔡其敏

“等离子电视，跟我家用的一样。走时把那电视给我砸了，什么档次，跟我用的一样。”

图片来源：《狂飙》电视剧

最近热播的爆款剧《狂飙》中的一句台词，让等离子电视又回到了人们的视野中。

20多年前，普通人月收入仅仅几百元，几万元一台等离子电视是妥妥的奢侈品。大概长这样：

某品牌等离子体电视[1]

但是随着LED显示的迅猛发展，即使等离子电视有着色彩还原度高、对比度强，尺寸大（150吋，381 cm对角线）的优点，也架不住LED发热量小、寿命长和价格亲民的冲击，逐渐在市场上消失了。

要想认识“过气网红”等离子电视，我们得先从等离子体是什么聊起——其实，这个拗口的概念一直在我们身边存在，它的作用你想象不到。

等离子电视背后原理：

啥是等离子体？


等离子电视是利用等离子体发光的原理制造的。那等离子体又是什么呢？

等离子体，有人称它为“物质第四态”。为了更好地理解这个第四态，我们拿生活中最常见的水来举个例子。

冰是水的固体形态，当它升温并超过熔点，就会成为液态；随着温度的升高，超过了沸点，水就变成了气态——水蒸气；继续给水蒸气加热，水分子就会裂解成氢原子和氧原子；继续给它们加热，部分原子中的电子就会挣脱原子核的束缚，形成自由电子，而失去电子的原子就变成带正电的离子；这样就形成了同样多的带负电的自由电子和带正电的离子，以及一些尚未被离化的中性粒子的集合体，这种集合体就是等离子体。

但是为了获得等离子体，我们往往不是通过不断加热，而是有更好、更简单的方法——直接施加足够的电压将气体电离，形成等离子体。

也正是利用这一原理，我们将惰性气体（氖、氙）装进一个极小的空间并加上很高的电压，产生足够强的电场使得气体电离产生等离子体。这些等离子体会以紫外线辐射的方式释放它们获得的能量，当这些光与红、绿、蓝荧光材料相遇后，就可以释放出对应颜色的光，这个小小等离子体点就成为显示中极小的像素点。我们将这些小像素组合叠加起来，通过电路控制，就可以汇集成一个超大的等离子电视屏幕。这就是《狂飙》里徐江用的等离子电视的背后原理。

等离子体显示原理图[2]


核聚变、处理垃圾、发电、消毒……

居然都能干！


科学家推测整个宇宙中99%的物质可能都是由等离子体构成的，连地球外围都包裹着等离子层（点这里复习一下）。但是在地球上，人们能直接看到自然形成的等离子体占比少之又少，比如火焰、闪电、极光和太阳，大部分的等离子体是为了满足人类的需要由人工创造出来的。

等离子体按照温度划分有高温等离子体（当离子温度等于电子温度时）和低温等离子体（当离子温度低于电子温度时）。而低温等离子体又包括热等离子体和非热等离子体（冷等离子体），下面我们就来看看这些等离子体能做什么。


1.核聚变


高温等离子体一般特指聚变等离子体，也是人类未来能源的终极形式。合肥美丽的科学岛上正在开展EAST全超导托卡马克装置工程和实验研究，核聚变大科学团队科学家们正在为“第一盏由聚变点亮的灯一定在中国”这个目标而辛苦付出和不懈努力着。

EAST装置自2006年运行以来，已经10余次创造等离子体运行的世界纪录，在前沿物理研究取得一系列原创性突破，获得2次国家科技进步一等奖，3次国家科技十大进展新闻。作为国际磁约束核聚变领域最前沿的托卡马克之一，EAST装置可对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究，推动我国磁约束核聚变研究方面走在国际前列，为我国加快核聚变能开发应用进程奠定了坚实的科学和技术基础，为人类核聚变研究做出了中国人的贡献。


2. 切割焊接


除了高温等离子体以外，剩下的都称为低温等离子体。其实低温等离子体不一定温度就低，我们平常看见焊接工人用的氩弧焊，能把厚厚的钢铁切割开，其实那也是低温等离子体的一种，被称为热等离子体。

图片来源：veer图库 


3. 处理废物


热等离子体温度高，不仅被用于切割或是焊接，在环境方面也是大有用处的。

利用它的超高温度（中心温度几万度）可以将被处理的高危废物中的有毒大分子迅速分解成无毒无害的小分子，而高危废物中的无机物或金属则会被变成熔融态，在重力的作用下，根据密度的大小实现分层。熔融无机物通过处理可以变成对环境友好的玻璃体，用作建筑基材；金属则被回收再利用。这样便可实现高危废物的无害化处理和资源化利用。

中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所早在本世纪初就开始了这方面的研究，开展了相关的示范工程研究。美国西屋公司也将这项技术用于民用垃圾的处理，于2015年在Tees Valley建成可以日处理一千吨城市生活垃圾的等离子体气化设备，可以每天获得10万升合成汽油。

热等离子体处理危险废物（图片来源：中科院等离子体所）

西屋公司的热等离子体处理民用垃圾[3]


4. 发电锅炉助燃


热等离子体还被用于火电厂的煤粉点火助燃中。当煤粉在与气体温度极高的等离子体混合时，会在很短的时间内被热裂解成小分子碳氢化合物（如H2、CH4等），这些化合物与等离子体中的短寿命活性物质，诸如氧原子、OH等发生化学反应，在高温的助力下会迅速被点燃。而这种方法要比锅炉传统燃油或微油点火要更加经济环保。

基于这个思路，现在有更多的科学家在思考利用热等离子体这种加热方法替代传统煤、焦炭、天然气等燃烧加热的方法，减少工业中（如炼钢、水泥烧制）二氧化碳的排放。等离子体最大的消耗就是电能，未来太阳能、风能这些可再生能源的大范围使用，等离子体作为一种快速、易控的加热方式，非常有希望发展出新的应用路线。


5. 杀灭病菌还能治疗癌症？


与热等离子体相对应的，则被称为非热等离子体或者冷等离子体，这种等离子体的气体温度有时可以低到与室温一样，并能与人体直接接触，虽然激发这种等离子体往往需要上万伏特的电压，但它也是安全的。

科学家们发现冷等离子体产生的高能电子、离子、激发态粒子和活性基团可以有效杀灭耐药致病菌。相比传统灭菌方法，等离子体气体温度低，无化学灭菌剂残留，且作用时间短。只需要短短的几十秒，等离子体就可以将与其接触的致病菌杀灭100万个以上。等离子体的优越特性，让科学家们迅速找到它新的应用方向——伤口和皮肤病治疗。

致病细菌在伤口上滋生就会引起感染，使伤口难以愈合。一般可以利用消毒药剂配合抗生素进行伤口灭菌，但是对于一些特殊情况，这一方法就很难奏效，例如糖尿病人的伤口。而等离子体可以快速将伤口上的细菌杀灭，且在一定程度上能加速凝血和促进细胞增殖，这就为治疗糖尿病人难愈合伤口提供了新的治疗思路和技术。目前，德国、日本、韩国和中国的科学家都在为将这项技术转化成医疗产品而不断努力。
冷等离子体及其在伤口治疗方面的应用[4] [5]
 
在治疗癌症方面，科学家的尝试是用等离子体让肿瘤细胞凋亡。

ROS（reactive oxygen species，含氧活性基团）在癌症发生发展过程中起了举足轻重的作用，是细胞内重要的信号调控因子，可以通过多种途径调节细胞信号转导通路，而这些通路对细胞的转化、炎症反应、肿瘤存活、增殖、侵袭和转移非常关键。

等离子体恰恰可以产生丰富的ROS和RNS(reactive nitrogen species，含氮活性基团)，这些基团可有诱导细胞产生氧化应激，进而引发γ-H2AX 磷酸化(DNA 双链断裂的一个标志)，影响细胞DNA 的复制和转录，从而造成细胞凋亡等细胞功能上的改变。
 
等离子体在治疗癌症方面的应用[6]

大量研究发现，等离子体可以诱导多种肿瘤细胞凋亡，包括肝癌细胞、肺癌细胞、神经胶质瘤细胞、白血病细胞、宫颈癌细胞、结肠癌细胞、黑色素瘤细胞等，而在杀死癌细胞的同时，等离子体对周围正常组织和细胞影响较小。从这个角度上讲，冷等离子体作为一种新兴的技术，在未来癌症治疗方面具有非常可观的潜力，这也是现在等离子体学科一个备受关注的焦点。

它还是半导体制造中的关键技术！


没想到吧，等离子体在工业上最大的成熟应用是我们日常生活中经常能遇到的手机、电脑的核心——半导体。

说到这里，可能有人就会说那不是等离子体刻蚀么？确实等离子体刻蚀在半导体制造中举足轻重，但实际上半导体制造中近一半的工序都需要用到等离子体，为了更清楚地展示，我们可以将芯片制造过程简单梳理一下。


向上滑动阅览

Step1：注入和沉积

通过砂子（二氧化硅）获得所需的高纯度硅片，利用离子注入（等离子体技术的一种，通过放电产生等离子体，利用偏压将等离子体中所需的离子部分引出，注入到材料表面）在硅片中掺杂砷、磷和硼等元素调节硅片的导电能力，再通过等离子体辅助化学气相沉积（等离子体技术的一种，用等离子体激活反应气体，促进在基体表面或近表面空间进行化学反应，生成固态膜的技术）将所需功能薄膜沉积到硅片上，需要在许多超薄层（每一层的直径比红细胞小 500 倍）中完成这步工作。


Step2：光刻

这个很好理解就是将所需电路投射到要刻蚀的硅片上，通过光刻胶的分布区分刻蚀和保留的位置；


Step3：重要环节——等离子体刻蚀

采用高频辉光放电反应，使反应气体（如CF4、C2F6和SF6）激活成活性粒子（如原子或自由基），这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，与材料发生反应从而进行选择性地刻蚀，被刻蚀的材料转化为挥发性反应物被真空泵排出，留下来的就是所需的微电路部分；紧接着需要通过金属将刻蚀后留下的电路连接到一起，于是又用到等离子体溅射技术，这种技术可以将金属靶材的成分按照设计图沉积到所需的位置。后续通过机械抛光，根据芯片的层数，还需要通过等离子体化学气相沉积在芯片表面沉积功能薄膜；基于芯片的复杂度，这些工序可能需要重复很多次，才能制成一个所需的芯片。


Step4：封装测试

这一步里仍然会用到等离子体，一般封装的材料与芯片结合力较差，此时等离子体表面改性的功能就用上了，只需要短短的几秒钟的处理，芯片表面的亲水性就会大大提高，封装材料就能很好地贴合到芯片表面。



等离子体刻蚀及等离子体表面改性[7-10]

到这里，差不多一个芯片的工序就完成了，在这个过程中等离子体被反复用到，所以有人说等离子体技术是半导体制造的关键技术之一，一点都不为过。

结语


除了高新技术和前沿科学研究之外，等离子体技术应用越来越广泛，相关研究也越来多。虽然等离子电视这一“网红”早已过时，家家都换上了大彩电，档次“杠杠的”，但等离子体在其他领域的应用依然非常多，如用于工业废气降解的等离子体技术，利用甲烷氢气等离子体气相沉积制备人造金刚石，等离子体育种，等离子体纳米材料合成……如果一个一个列举，看这篇文章的你就要看到今天晚上了！
随着等离子体技术的不断迭代升级，相信在不远的将来，会有更多的等离子体进入到我们的生活中。


参考资料：

[1]https://www.samsung.com/in/support/tv-audio-video/what-is-a-plasma-tv/

[2] https://slidesplayer.com/slide/16171931/

[3]https://www.modernpowersystems.com/features/featuretees-valley-2-suspended-4816661/

[4] Z. Xu,  J. Shen,  Z. Zhang,  J. Ma,  R. Ma,  Y. Zhao,  Q. Sun,  S. Qian,  H. Zhang,  L.Ding,  C. Cheng,  P. K. Chu,  W. Xia, Inactivation Effects of Non-Thermal Atmospheric-Pressure Helium Plasma Jet on Staphylococcus Aureus Biofilms, Plasma Processes and Polymers, vol. 12, no. 8, pp. 827 – 835 (2015).

[5] Sander Bekeschus, Thomas von Woedtke, Steffen Emmert, Anke Schmidt, Medical gas plasma-stimulated wound healing: Evidence and mechanisms, Redox Biology, Volume 46, 2021, 102116.   https://doi.org/10.1016/j.redox.2021.102116.

[6] L.Boeckmann, , M. Schäfer, T. Bernhardt, M.L. Luise Semmler, O. Jung, G. Ojak, T. Fischer, P.Kirsten, B. Nebe, B. Müller-Hilke, C. Seebauer, S. Bekeschus, and S. Emmert.. Cold Atmospheric Pressure Plasma in Wound Healing and Cancer Treatment, Applied Sciences, Volume 10, no. 19, 2020, 6898. https://doi.org/10.3390/app10196898

[7]https://www.google.com/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fwww.lightwindcorp.com%2Fuploads%2F6%2F2%2F8%2F7%2F62872375%2F9591491.jpg%3F321&imgrefurl=http%3A%2F%2Fwww.lightwindcorp.com%2Fplasma-and-cvd-gas-analysis.html&tbnid=MAyEdaJbMuklyM&vet=12ahUKEwjlnbDfx6j9AhVxPEQIHUehAdAQMygPegUIARDSAQ..i&docid=onREIQqTI6rObM&w=320&h=213&q=plasma%20and%20semiconductor&ved=2ahUKEwjlnbDfx6j9AhVxPEQIHUehAdAQMygPegUIARDSAQ

[8] K.J. Kanarik, Inside the mysterious world of plasma: A process engineer’s perspective featured, Journal of Vacuum Science & Technology A, Volume 38, 2020, 031004. https://doi.org/10.1116/1.5141863

[9]https://www.pfonline.com/articles/ecoclean-offers-ultra-fine-precision-cleaning-services

[10] CL. Ma, L. Wang, A. Nikiforov, Y. Onyshchenko, P. Cools, K. Ostrikov, N. De Geyter, R. Morent, Atmospheric-pressure plasma assisted engineering of polymer surfaces: From high hydrophobicity to superhydrophilicity, Applied Surface Science, Volume 535, 2021, 147032. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147032.


作者单位：中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所

本文出品自“科学大院”公众号（kexuedayuan），转载请注明公众号出处。
科学大院是中科院官方科普微平台，由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。


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