Lámparas mágicas: dispositivos de plasma de microcavidades y sus aplicaciones comerciales

May 19, 2023

3/11/2022 15:51:05 Michael O'Boyle

En 1995, James Frame y David Wheeler, dos estudiantes graduados del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, se acercaron al profesor de la Universidad de Illinois, J. Gary Eden.

Le mostraron un bloque de silicio y le preguntaron: "¿Te importa si perforamos un pequeño agujero en esto y vemos si podemos llenarlo con gas y generar un plasma?"

"Por supuesto que no, adelante", les dijo Eden.

Treinta años después, los descendientes de ese experimento inicial constituyen una tecnología completamente nueva: los dispositivos de plasma de microcavidad.

Como se discutió en el artículo de portada de octubre de Plasma Processes and Polymers, dieron lugar a una gran cantidad de dispositivos compactos y asequibles fabricados por tres compañías: EP Pure, Eden Park Illumination y Cygnus Photonics, que están destinados a revolucionar la purificación del agua, el aire y la superficie. desinfección y fabricación de productos electrónicos. Y todo porque los investigadores de la Universidad de Illinois asumieron un proyecto que parecía interesante.

Plasmas de microcavidad: cuanto más pequeño, mejor

Al igual que otras tecnologías de plasma, incluidos los letreros de neón y las bombillas fluorescentes, los dispositivos de microcavidades funcionan aplicando un alto voltaje para extraer electrones de los átomos o moléculas de un gas contenido. El resultado, un plasma, puede usarse para generar luz o impulsar reacciones químicas.

Sin embargo, en lugar de alojarlo en un tubo grande, la nueva tecnología confina el plasma en una serie de pequeñas cavidades, cada una de ellas de menos de un milímetro de tamaño. Esto le da a los dispositivos un par de diferencias clave que los hacen especialmente atractivos para las aplicaciones.

Los dispositivos de microcavidad funcionan a presión atmosférica, mientras que los gases de los dispositivos de plasma estándar deben bombearse al vacío. Esto simplifica enormemente el proceso de fabricación, ya que la unidad de alojamiento no necesita tener en cuenta la diferencia de presión.

Además, el pequeño tamaño de la cavidad también significa que utilizan mucha menos energía eléctrica que los dispositivos estándar, lo que prolonga significativamente su vida útil operativa.

Producción de ozono y purificación de agua.

La aplicación más destacada de los dispositivos de plasma de microcavidad hasta la fecha ha sido la producción de ozono para la desinfección del agua potable. La cloración no es viable en muchas partes del mundo y presenta peligros para la salud humana y el medio ambiente, lo que hace que la ozonización sea una alternativa atractiva.

Los reactores químicos en miniatura que utilizan plasmas de microcavidad desarrollados en el laboratorio de Eden superan las barreras tradicionales de costo y consumo de energía. Estas unidades producen ozono del aire de la habitación a razón de 0,3 gramos, suficiente para desinfectar 10 galones de agua, por hora. Debido a que son pequeños y consumen menos de 15 vatios de energía eléctrica, han demostrado ser ideales para desinfectar el agua potable en comunidades sin conexión a la red en más de 20 países.

Las instalaciones más grandes para usar estos dispositivos están operando en la región de Kisumu, en el oeste de Kenia. Construido e instalado por una asociación entre la Universidad de Illinois en Chicago, el Proyecto Agua Segura y SIDA de Kenia y la Fundación Eden Park, cada uno de los dos "quioscos" autosuficientes produce 2000 litros de agua potable todos los días a partir de ríos contaminados. o agua superficial, y son operados, mantenidos y administrados por kenianos locales.

luz germicida

La aplicación de fuentes de luz de plasma de microcavidades para desinfectar el aire y las superficies en espacios públicos ha atraído una gran atención en los últimos tres años.

Las lámparas que emiten luz ultravioleta para matar microbios, las llamadas "lámparas germicidas", son una tecnología bien establecida, pero se sabe que la longitud de onda que utilizan, 254 nanómetros, es cancerígena para los humanos. Basado en la tecnología de la Universidad de Illinois, Eden Park Illumination diseñó una lámpara de microcavidad que emite una luz de 222 nanómetros que elimina los patógenos virales y bacterianos. Sin embargo, la longitud de onda no puede penetrar la capa externa de la piel humana, por lo que es segura para la exposición humana.

Las ventas de estas lámparas eran modestas antes de la pandemia de Covid-19, pero la demanda se disparó a partir de entonces. Ahora se utilizan en lugares de todo el mundo, incluidos restaurantes, la Aguja Espacial de Seattle y una base militar de EE. UU.

"Lámparas mágicas" para la fabricación de productos electrónicos

Una aplicación inesperada de las lámparas de plasma de microcavidades está llegando a su madurez comercial ahora: la fabricación de productos electrónicos.

Las primeras investigaciones realizadas por Dane Sievers, coordinador de laboratorio de enseñanza de ingeniería, y Andrey Mironov, profesor asistente de investigación en ECE, dieron como resultado una lámpara que funciona a 172 nanómetros, en el espectro ultravioleta lejano. Se dieron cuenta de que los fotones que genera pueden romper la mayoría de los enlaces químicos. Por lo tanto, si se coloca una plantilla estampada sobre prácticamente cualquier superficie de polímero, la lámpara destruirá los polímeros expuestos y grabará el patrón.

Esto hace que los dispositivos sean ideales para imprimir circuitos integrados. Los métodos estándar para grabar patrones de circuitos son costosos, se realizan en el vacío y requieren sustancias tóxicas. Por el contrario, un proceso facilitado por lámparas basadas en microcavidades es económico, funciona en una atmósfera de nitrógeno a temperatura ambiente y la etapa final de desarrollo solo utiliza alcohol.

Las mejoras son tan grandes que Sievers llama a los dispositivos de plasma de microcavidades "lámparas mágicas". Él y Mironov están trabajando para llevar estas técnicas a la industria con su nueva empresa Cygnus Photonics.

Porque podrían hacerlo mejor

Los dispositivos de plasma de microcavidad han dado lugar a un tesoro de aplicaciones, pero comenzaron como una investigación puramente fundamental. Eden anima a sus alumnos a dedicar el 20% de su tiempo a estudiar temas de su elección. Entonces, cuando Frame y Wheeler leyeron un artículo en el que se mostraba que los plasmas existen en pequeñas cavidades y pensaron: "Podemos hacerlo mucho mejor", se les permitió buscarlo por sí mismo.