前沿科技：自组织等离子体模式成功消灭PFAS污染！

密歇根大学的新研究表明，在等离子体与水相互作用时增加表面积可能有助于扩大一种技术，该技术可以去除饮用水中的污染物，如PFAS、洗涤剂和微生物。

在特定条件下，当等离子体与水接触时，会自我组织，形成复杂的图案，像星星、马车轮或齿轮一样，从而扩大接触面积。虽然等离子体自我组织的物理机制仍然不太明了，但更深入的理解有助于我们更有效地利用它来去除水中的污染。

密歇根大学的研究团队拍摄到了自我组织的等离子体下方水面的首张图像，揭示了等离子体对水施加的电力会扭曲水面，并产生表面波。

结果表明，波的形状和大小受气体加热速率和水的电气特性的影响，这可以通过调节来实现更大的等离子体表面积，从而一次性处理更多的水。这项研究已经在《等离子源科学与技术》上 发表。

PFAS，广泛被称为永久化学物质，因为它们耐热和抗污的特性而被应用于产品中。它是灭火泡沫和锅具不粘涂层的关键成分。不过，这些特性是由强碳-氟键造成的，导致这种化合物在被丢弃后难以分解。

当PFAS渗入地下水和地表水源时，这些水会被作物和动物吸收。它在人体组织中积累，随着时间的推移，增加了癌症和其他健康问题（如内分泌干扰）的风险。

最近的研究表明，当等离子体注入受污染的水中时，可以破坏PFAS。等离子体是一种在常压下由普通空气产生的激活气体，包含能量电子、离子和激发物质。其能量主要来自低质量的电子、离子和光子。在这种情况下，非热等离子体是通过快速高压脉冲产生的。因此，与这种等离子体接触的水不会被加热，实际上，这些等离子体甚至温和到足以在一个称为等离子体医学的领域中处理生物组织。

冷等离子体与水接触时，会产生离子、溶剂化电子、激发分子、超声波、冲击波以及能打破氟-碳键的紫外线。这一成就令人印象深刻，因为碳氟键是有机化学中最强的化学键。能量等离子体过程还打破了构成PFAS化合物的碳链的骨架，创造出更小的分子，将PFAS矿化为无害的残留物。传统的水处理方法无法去除这种毒素，因此先进的方法显得尤为重要。

“实验室演示表明，冷等离子体可以几乎完全去除这些污染物。这为处理这些遗留化学物质开辟了新的机会，”密歇根大学核工程与辐射科学以及航空航天工程教授、该研究的资深作者约翰·福斯特说。

尽管这种方法有效，但等离子体注入能耗高且成本昂贵，这使得在工业规模上推广面临挑战。

熵逆转的模式

与雨滴在池塘表面扩散的涟漪不同，等离子体模式在向外辐射时变得更加复杂。在这些熵逆转的模式中，水面与等离子体的接触面积更大。

“这些过程受非平衡热力学的支配。在这里，能量和反应物种是由等离子体在开放系统中局部沉积的，使得沉积物种的浓度始终无法达到热力学平衡，因为反应物无法积累。由于没有反应物的耗竭，这些开放系统容易自我组织。这些模式的足迹更大，因此可以用来增大等离子体的接触面积，”福斯特说。

如果能够操控这些模式，它们可能会更有效地处理更大体积的水。

在研究自组织模式时，一盏天花板灯吸引了研究者的注意，让他注意到等离子体下方的水面有纹理——就像阳光在泳池波纹上闪烁，显示出水面并不平坦。

“变形的液体表面一直存在，但我突然意识到在某个角度观察液体表面时，我突然意识到。科学无处不在，简单而清晰，”U-M核工程与放射科学的博士毕业生、研究的第一作者杨子木说。

捕捉水下的模式

由于等离子体与水的相互作用发生在大约十微秒内，研究团队开发了一种专门的高速相机设置，来捕捉表面扰动的瞬间。

在实验设置中，等离子体喷射器位于水面上方仅几毫米处。一束斑点激光从一个角度指向水面，确保相机能够捕捉到波纹如何反射光线。

研究人员将高速相机与快速高压等离子体喷射脉冲同步，以捕捉等离子体与水相互作用的确切时刻。图像显示，等离子体通过电场将水推开，形成等离子体图案上方电场的镜像。

为了理解图案是如何演变的，研究人员多次重复实验，同时增加脉冲与相机捕捉之间的时间。精确的拍摄时机确认了等离子体图案导致水的变形，而不是相反。在图案的边界处，表面波开始形成。由等离子体图案驱动的波浪可以通过调整气体流量和等离子体加热速率来改变。

杨说：“如果能够控制并可能放大，等离子体方法可以扩大规模来处理更大体积的水，最终可以整合到水处理厂中去除污染物，比如PFAS。”