胡良兵教授、琚诒光教授、赵继成教授 Nature: 成功制备一种新型简易的比太阳表面温度更高的等离子体

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近日，美国马里兰大学和普林斯顿大学的一个联合研究团队开发了一种新型等离子体技术，可以在常压条件下轻松达到8000摄氏度。这种新型均匀、超高温、稳定的等离子体（USP）可以用很低的电压和电流轻松获得（50V和50A）。北京时间2023年11月30日0时，这项最新的研究成果以“A stable atmospheric-pressure plasma for extreme-temperature synthesis”为题发表在Nature期刊上。马里兰大学材料科学与工程系胡良兵（Liangbing Hu）教授，普林斯顿琚诒光（Yiguang Ju）教授和马里兰大学赵继成（Ji-Cheng Zhao）教授为共同通讯作者。文章的第一作者是谢华博士、刘宁博士和张茜博士。值得注意的是，北京时间2023年4月19日，美国马里兰大学胡良兵教授研究团队和普林斯顿大学琚诒光教授研究团队曾在Nature期刊上发表题为“Depolymerization of plastics by means of electrified spatiotemporal heating”的新研究。该研究报道了一种基于电致焦耳加热的反应策略，此策略可以将多类塑料材料进行选择性热解从而获得高附加值的单体原料，为废旧塑料的化学回收提供了新思路。该研究针对采用传统反应模式时塑料热解反应选择性差且高附加值产物产率低等问题，通过结合可编译电致焦耳脉冲加热技术以及多层、多孔反应器设计，得以对反应温度进行精确地时空调控，进而有效控制反应路径和产物选择性，高效且连续的实现塑料到单体的转化。

图1：马里兰大学胡良兵教授与赵继成教授在能达到8000摄氏度的新型等离子体装置前。等离子体是除固态、液态和气态之外的第四种物质状态。它主要由带正电的离子和负电的电子组成，两者所带电荷大致相等。一般可以通过强烈放电（如闪电）或强电磁场将气体电离而产生等离子体。胡良兵教授指出，“此项发明的关键是我们制造了一种新型绒毛结构的电极（图2）。通过由众多绒毛纤维尖端组成阵列的碳毡电极，我们创造了一个堪比太阳表面温度的稳定、可调节的等离子体。这种等离子体用较低的电压和电流就可以开始和维持。”图2：利用尖端阵列碳毡电极实现超高温、稳定的等离子体。这种独特的尖端阵列电极由碳毡表面的长短碳纤维组成（图3）。在施加电压的情况下，长纤维接触点或缺陷区域产生的焦耳热会形成小间隙，将等离子体击穿电压显著降低至50V以下，相比没有纤维尖端的1500V降低了30倍。同时，垂直排列的短纤维束阵列产生集中电场，平滑扩展增大等离子体的体积。图3：碳毡电极表面纤维对于USP形成的作用。

普林斯顿大学等离子体物理实验室（PPPL）琚诒光教授（Robert Porter Patterson冠名教授、能源部氢能源研究中心（EERC）主任）及其团队对这种独特的等离子体形成过程进行了详细的表征（图4）。他指出：“在近似德拜长度的尺度上，碳纤维尖端所促进的微放电和增强的次级电子发射是降低击穿电压、增加等离子体均匀性和稳定性的关键因素。”

图4：左：USP等离子体形成过程的表征及快速响应；右：普林斯顿大学琚诒光教授。

“我们的USP装置是创建超高温、稳定的等离子体的最简易方式，它可以在常压下方便地运行，” 美国工程院院士、马里兰大学材料科学与工程系主任赵继成教授指出，“ 8000摄氏度的温度可以融化甚至蒸发地球上几乎所有固体，我们可以借此通过打破和形成新的化学键来合成新材料；因此，USP将成为一种全新的变革性的技术平台。”（图5）

该团队已经使用USP合成了各种极端材料，包括各种难熔金属合金和超高温陶瓷，如碳氮化铪 - 它是根据第一原理计算预测的，具有所有固体中最高的熔点。高度灵活的碳毡电极可以塑造成各种几何造型，以满足不同的制造需求。例如，一种同轴电极的圆柱形设计可以将等离子体限制在通道中，用作气相反应、难熔金属合金化和各种雾化过程的原型。该团队还展示了聚焦USP光束可以作为超高温材料的潜在3D打印方法（图5）。图5：USP应用于材料合成以及装置设计灵活性。USP的另一个重要特点是能够快速升温和冷却，以实现在远离热力学平衡的条件下进行合成。除了材料和化学合成，USP还可用于分解不需要和不好的物质。“ 我们的USP技术无疑将加速新材料的发现和开发，” 胡良兵教授补充说，“ 多功能的USP装置为材料合成和制造提供了一种新范式，具有广泛的应用潜力。”这项联合研究团队还包括来自休斯顿大学、匹兹堡大学、加利福尼亚大学圣地亚哥分校和橡树岭国家实验室的研究人员。除了超高温度，USP还产生极其明亮的光线，其强度与太阳相媲美。就像避免肉眼直视太阳一样，观看USP过程时需要佩戴合适的墨镜或滤镜以避免眼睛受损。胡良兵教授、琚诒光教授和赵继成教授共同创立了一家初创公司USPlasma, Inc.（www.usplasma.com），以扩大和商业化这项新的热等离子体技术。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06694-1

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