Czym jest plazma i co ma wspólnego z moim telefonem komórkowym?

Mówiąc najprościej, plazma jest czwartym stanem skupienia, jaki może przyjąć materia. Jeśli do ciała stałego dodamy coraz więcej energii, na przykład ciepła, najpierw powstanie płyn, a potem gaz. Jeśli będziemy kontynuować, powstanie plazma.

W zwykłym gazie jądro atomowe i elektrony są ściśle ze sobą związane – atom jest elektrycznie obojętny i spokojny. Jeśli jednak dopływ energii do gazu jest coraz większy, atomy zderzają się ze sobą tak gwałtownie, że siły wiążące słabną, a elektrony zostają wyrwane ze swoich powłok. Gaz przekształca się w chaotyczną mieszaninę cząsteczek, składającą się ze swobodnie poruszających się ujemnych elektronów i dodatnio naładowanych jąder atomowych. Proces powstawania plazmy nazywa się jonizacją. W naturze dzieje się to zazwyczaj w ekstremalnych warunkach: albo pod wpływem niewyobrażalnie wysokiej temperatury, jak w jądrze Słońca nagrzanym do 15 milionów stopni, albo poprzez ogromne wyładowania elektryczne, gdy piorun o napięciu milionów woltów jonizuje cząsteczki powietrza.

Przemysł reguluje produkcję plazmy za pomocą precyzyjnie dobranej energii elektrycznej w swoistej kuchni high-tech: przedmioty obrabiane znajdują się w komorze próżniowej. Do komory wtłaczany jest gaz szlachetny, np. argon. Magia plazmy rzeczywiście dzieje się w komorze próżniowej. Naprawdę trudna pod względem technicznym część ma miejsce jednak na zewnątrz: specjalne generatory, na przykład z oferty firmy TRUMPF, przekształcają normalne napięcie sieciowe na napięcie o wysokiej częstotliwości lub napięcie impulsowe i przesyłają tę energię bezpośrednio do gazu znajdującego się w próżni. Pole elektryczne gwałtownie przyspiesza elektrony, powodując miliony zderzeń między nimi. I gotowe: powstaje plazma. Generator jest tutaj dyrygentem. Reguluje i równoważy natężenie prądu, napięcie i częstotliwość w zakresie milisekund, nadając plazmie kształt i właściwości, jakie są potrzebne w danym zastosowaniu – na przykład w obróbce powierzchni lub nanoszeniu ultracienkiej powłoki.

Chociaż w naturze plazma jest burzliwą masą, w warunkach przemysłowych nie ma stanu materii, który można by tak łatwo okiełznać i tak precyzyjnie kontrolować – nawet z dokładnością do jednego atomu. Dzieje się tak, ponieważ plazma jest niezwykle dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego i reaguje w sposób bardzo wrażliwy na pola elektromagnetyczne wytwarzane przez specjalny generator. Pola te chwytają plazmę niczym niewidzialne pęsety, rozciągają ją lub ściskają, przyspieszają lub utrzymują w zawieszeniu w przestrzeni. Po drugie, plazma jest wysoce reaktywna chemicznie. Swobodnie unoszące się jony za wszelką cenę chcą się ponownie związać i dlatego atakują każdy materiał, który się do nich zbliży. W przemyśle plazma jest wykorzystywana w wielu celach: na przykład do obróbki powierzchni najróżniejszych materiałów, takich jak utwardzanie, lub do sterylizacji wyrobów medycznych wrażliwych na ciepło. Jednak to właśnie połączenie cech „precyzyjnego sterowania” i „wysokiej reaktywności” sprawia, że plazma jest niezastąpiona w produkcji mikrochipów.

Mikrochipy są budowane warstwa po warstwie na płytkach krzemowych, a plazma wskazuje atomom, w którym miejscu na płytce mogą się znajdować, a w którym nie. Na kawałku płytki o wielkości paznokcia mieszczą się obecnie miliardy tranzystorów. Wymiary są tak małe, że narzędzia z normalnego świata nie radzą sobie, dlatego stosuje się plazmę. W praktyce plazma spełnia dwa główne zadania: podczas trawienia ukierunkowany strumień plazmy działa jak piaskarka na poziomie atomowym. Usuwa ona mikroskopijnie drobne wzory, tworząc maleńkie ścieżki przewodzące. Podczas powlekania plazma wskazuje położenie dla atomów. Plazma powoduje reakcję gazów, w wyniku której powstają warstwy powierzchniowe na płytce lub wybija atomy z kawałka metalu niczym kule bilardowe, dzięki czemu mogą one osadzać się na płytce z dokładnością do pojedynczej warstwy atomowej, tworząc izolator lub ścieżkę przewodzącą.

To bardzo proste: gdyby nie plazma sterowana przez generatory, nie istniałyby wysokowydajne chipy, które obecnie znajdują zastosowanie praktycznie we wszystkich zaawansowanych urządzeniach. Bez plazmy nikt nie miałby komputera, nie byłoby sztucznej inteligencji, Internetu ani telefonu komórkowego.