Nature：8000℃可控等离子体，比太阳还亮-制备各种纳米新材料
Nature：8000℃可控等离子体，比太阳还亮-制备各种纳米新材料
2023年，马里兰大学胡良兵教授、赵继成教授和普林斯顿大学琚诒光教授等人在《Nature》上发表了题为“A stable atmospheric-pressure plasma for extreme-temperature synthesis”的论文，提出了一种新型等离子体装置，由一对碳纤维尖端增强电极组成，能够在大气压下产生均匀且稳定的超高温等离子体，温度可达8000K。
图1. 胡良兵教授与赵继成教授在能达到8000K的新型等离子体装置前
技术创新
这种新型的碳纤维尖端增强电极设计使得在大气压下可以产生均匀且稳定的超高温等离子体（USP），温度可达8000K，且仅需要非常低的电流和电压（<50A和<50V），无需高功率电源和控制，这在以往的技术中很难实现。
实际应用
使用这种等离子体技术，研究者们能够在几秒钟内合成各种极端材料，如超高温陶瓷和难熔金属合金，这对材料科学领域是一大突破。
材料合成的优化
该技术能够实现材料的快速加热和冷却（大约103K/s），这对于非平衡态材料合成极为关键，可以控制材料的微观结构和性能。
环境友好和可持续发展
该等离子体技术可以使用可再生电力进行驱动，有望实现绿色制造，为生产高性能、耐极端环境的新材料提供了新途径。
灵活性和可扩展性
所开发的碳纤维电极具有很高的灵活性，可以根据不同的合成和制造需求进行形状定制，这为大规模生产和实际应用提供了可能。
研究背景
等离子体因其能产生超高温，常被用于合成和处理各种材料。但是，传统等离子体技术在大规模生产和温度控制方面存在限制。高温合成材料如超高温陶瓷和难熔金属合金在制造过程中需要极端的温度条件，这对设备和技术的要求非常高。在大气压下产生高温等离子体往往伴随着温度不均和稳定性差的问题，这限制了其在材料加工中的应用。随着环保意识的提升和能源效率的关注，研究者们寻求开发更为绿色和高效的材料合成方法。
研究方法
研究团队设计了一种新型的碳纤维电极，这种电极通过在电极表面布置短碳纤维和长碳纤维的组合，利用长碳纤维在低电压下引发微火花放电，而短碳纤维则聚集放电，形成高温稳定的等离子体。通过上述电极结构，在大气压条件下生成高温（可达8000K）等离子体，并通过电流输入的调节实现温度的精确控制。利用这种等离子体技术，进行了多种高温材料的合成实验，如超高温陶瓷和难熔金属合金，验证了等离子体技术在实际材料合成中的应用效果。应用Rayleigh散射和E-FISH技术对等离子体中的温度分布和电场强度进行了详细测量，确保了实验数据的准确性和等离子体参数的可控性。
赛因脉冲电闪蒸反应器及配套的等离子体装置
研究结果
研究成功产生了一个在大气压下稳定运行的高温等离子体，其温度可达8000K，并且温度分布表现出优异的均匀性。这一结果证明了碳纤维尖端增强电极在提高温度均匀性和稳定性方面的有效性。使用此技术，研究团队能够在几秒钟内合成如超高温陶瓷和难熔金属合金等高性能材料，显示出非常高的合成效率和较低的能耗。即使在极端的高温条件下，由碳纤维制成的电极也表现出良好的稳定性和耐用性，没有出现显著的退化或损坏。该等离子体技术可以使用可再生电力进行驱动，为高温合成材料提供了一种更环保的方法。这对于减少传统高温合成过程中的能源消耗和环境影响具有重要意义。利用这种等离子体技术合成的新材料表现出优异的物理和化学性质，为进一步的材料开发和应用提供了新的可能性。
展望
根据研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究方向：进一步研究和优化碳纤维电极的材料组成和结构布局，以提高等离子体的稳定性和效率，以及扩大其应用范围。探索使用该等离子体技术合成其他类型的高性能材料，如先进陶瓷、高熵合金、和其他高温合金，以及研究其在大规模工业生产中的应用。评估这种新技术在实际应用中的环境影响和能源效率，包括生命周期评估和可持续性分析。深入研究等离子体中的物理和化学过程，包括电子温度、离子种类、和反应动力学，以提高对等离子体合成过程的理解和控制。开发和优化相关的设备和工艺流程，推动这种高温等离子体技术从实验室规模向工业规模的转变，实现商业化应用。这些后续研究方向不仅有助于提高这一技术的应用潜力，还可以推动相关科学领域的发展，特别是在材料科学和等离子体技术的交叉应用方面。