Плазменный генератор научили гибкости

Плазма — ионизированный (содержащий свободные электроны) газ с чрезвычайно высокой электропроводностью. Известно, что в этом агрегатном состоянии вещество способно влиять на химию поверхности: так, генераторы низкотемпературной (менее миллиона кельвинов) газоразрядной плазмы могут стимулировать регенерацию тканей и уничтожать патогены. Поскольку «холодная» плазма не оставляет следов, подобные устройства рассматриваются в качестве безопасной альтернативы современным дезинфицирующим средствам. Однако существующие прототипы плазменных генераторов, как правило, основаны на жестких элементах, что ограничивает их применение в промышленности и медицине.

В новой работе специалисты из Ратгерского университета и Флоридского университета описали технологию изготовления гибкого генератора плазмы. Устройство построено по схеме диэлектрического барьера (DBD) и состоит из двух электродов, между которыми расположен диэлектрик — целлюлозное волокно. Материалом для электродов служит металлизированная бумага: на каждый слой толщиной 150 микрометров авторы с помощью лазерной гравировки нанесли сотовую структуру, которая уменьшила рабочую поверхность и позволила генерировать плазму вдоль края сетки. Затем на внешних сотах разместили токопроводящие чернила и подключили их к функциональному генератору.

Предложенная конструкция обеспечила тонкую настройку устройства. Так, благодаря пористой поверхности бумаги прототип позволил одновременно генерировать два типа плазмы — поверхностную и объемную, при этом, в зависимости от мощности и силы подаваемого тока, расход электроэнергии не превысил 20 ватт. Путем экспериментов со входным сигналом ученым также удалось манипулировать видимым свечением и уровнем ультрафиолетового излучения на устройстве. Генератор сохранял работоспособность при деформации в виде цилиндра, и в то же время продуцировал большой объем озона (13 миллионных долей) и имел сравнительно высокую температуру поверхности — порядка 60 градусов Цельсия.

Испытания in vitro на пекарских дрожжах Saccharomyces cerevisiae и кишечной палочке (Escherichia coli) показали, что уже спустя 10–30 секунд обработки (на расстоянии 10 миллиметров) колонии бактерий сократились на 91,85–99,9 процента, и были полностью уничтожены при непосредственном воздействии плазмы. Чтобы продемонстрировать потенциал масштабирования, ученые изготовили генераторы размерами до 400x276 миллиметров (в 20 раз больше оригинальных) и построили на их основе тачпады и конструкции типа киригами. Несмотря на то, что объем плазмы в этом случае снизился, результаты работы могут лечь в основу перспективной самоочищающейся одежды и гибкой электроники.

Подробности исследования представлены в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Помимо медицинских приложений плазма рассматривается как возможная основа оружия. Ранее американские ученые предположили, что источником энергии для световых мечей, которые использовали персонажи «Звездных войн», может выступать высокотемпературная плазма.