科创未来丨探访顶尖实验室 :“机械梦工厂”里的材料有了“超能力”

图片
微波强化VOCs处理装置。

川观新闻记者 兰珍

人类是如何实现从古时的“烽火狼烟”到现在的“视频通话”?不用水冲、不用手擦,如何“洗”掉金属片上的斑斑锈迹?高温低压的炉子里,当微波遇上甲烷气体,一颗钻石又是如何生成的?

在四川大学望江校区东门口,有一栋年代久远的科研大楼,灰褐色的外观,斑驳的墙体,平平无奇的外表下,藏着一个“机器梦工厂”。在这里,大到生产线,小至微波炉,沙琪玛非油炸膨化机、烟草桔梗处理器、半导体清洗装备等,这些看似八竿子打不着的机械,都是在这里设计、组装、测试,最后在生产车间运行投用。

近日,记者到四川大学探访“机械梦工厂”——微波能量创新应用实验室,看看这里有哪些神奇之处。

探奇

“机械梦工厂”长啥样?

走进四川大学电子信息学院科研大楼,教授朱铧丞直接带记者往地下钻。记者好奇心一瞬间被勾起:暗黑的地下,难道要探秘有特殊环境要求的物质?

“不!下面空间大,可以堆放设备。”朱铧丞直白地打破记者幻想。

穿过一扇防盗门,与印象里洁白整齐庄严的实验室不同,眼前这个实验室更像是一间“打铁铺”。环顾四周,浓厚的原始工业风扑面而来——长长短短的线路四处链接,大大小小的金属工具摆放在台面,形态各异的机械随处可见。正在测试器械的实验员,没有白大褂、护目镜,身着简单的T恤衫运动裤,一番行云流水地操作,机械发出轰鸣,开始运转。

就是这间平平无奇的实验室,诞生出许多“国际首创”“国内首台”。也是在这里,高大上的微波技术,“隐藏技能”被实体化,诞生了很多“接地气”的生活应用。

微波是指频率在300MHz—300GHz之间的‌电磁波‌,具有穿透、反射、吸收三个基本特性。微波的波长在1毫米到1米之间,具有似光性、非电离性和信息性等特点;微波的能量可转化为热量。

基于微波的这些特点,微波技术广泛应用于‌雷达、‌导航、‌遥感及‌电视等方面。如今能实现视频通话,就是以微波为载体传输信号。

微波能量创新应用实验室由四川大学电子信息学院院长杨阳、教授朱铧丞两位青年学者带队,核心成员11人,围绕着大功率微波源、微波等离子体多物理数值模拟、微波能工业应用等领域开展人才培养、科学研究和技术成果转化。

早在20年前,微波与通信已是热门科研选题,包括清华大学等高校都投入大量人力物力钻研。在不具备优势的情况下,四川大学另辟蹊径,在国内率先开始微波能量载体研究。“核心课题是微波与物质之间的相互作用。”杨阳表示,“需要经年累月地实验积累。”

图片
3D打印微波固化设备。

探新

微波赋予材料“超能力”

刘慈欣在小说《中国太阳》中构想了这样一个装置:一个在太空中的巨大镜子,能够通过反射太阳光调节区域气候。这个科幻作家脑海里的“太空三峡”,靠什么将太阳能所发的电输送到地球上?答案是微波。

微波能理想地取代天地间的那条传输线,解决“送”的问题。杨阳解析,只要波段选择适当,受云层、大气的影响较小,加之它具有穿透性,便于送能。

前段时间,某款3D打印一体鞋曝光,引发市场热议。但高昂的价格,让不少人望而却步。3D打印鞋价格昂贵,关键点在生产效率。“3D打印鞋目前是通过机器逐层生产”,生产时间长、产量有限,朱铧丞表示,3D打印鞋要“飞入寻常百姓家”,需要批量化生产。

如何解决量产问题?用“微波炉”。

在3D打印高分子材料中,添加吸收微波的胶水,将上百双鞋胚一起放入微波腔体里,类似于超大型的微波炉,直接加热作用,即可实现批量生产。

一点点甲烷气体,一夜之间从薄薄的一片长成一颗完整的钻石,如何实现?微波等离子体。

需要把一片钻石晶种置于装置的减压室中,注入甲烷气体,然后用微波电离,形成等离子体。气体加热到摄氏1000度左右时,碳原子就像“雨”一样落在钻石晶种上,沉积生长,高纯度的钻石就能在一夜之间“长”出来。

以上这些新奇的微波妙用,是微波能量创新应用实验室正在进行的探索。

这间“机械梦工厂”,利用微波特性,为材料赋予“超能力”,再根据需求方的要求,定制化制造出各类机器,应用于工业生产上。

目前,实验室已形成了相关专利池,成功转化专利14项,应用于美的、中核和瑞士雀巢等企业。实验室在微波的工程实践应用上,更是全国最具有影响力的实验室之一。

图片
微波解冻装备。

探趣

实验室里有哪些好玩的机械?

→精准加热的微波炉

日常使用微波炉热饭,总会有冷有热的情况。这是微波特有的属性。因为微波具有波的特性,在腔体内分布时,呈现能量强弱的变化,就造成了加热不均。

那如何把东西加热均匀,“这就是考手艺的地方。”朱铧丞说道。

加热均匀最考验设备参数。设想,批量的物品在超大的微波炉加热,每个东西放置的位置不同,要保障加热均匀,要让不同来源的微波有新的重合。

一般家用微波炉有一个微波源,而实验室这台定向加热微波炉,设计了六个微波源。六个微波源之间相互作用,改变腔内能量分布。如此,就可以随意调节腔内不同区域加热物品的温度。

朱铧丞将4杯水放入微波炉中,简单设置一下,每杯水精准达到了指定温度。“该设备目前已走入市场,进入普通人家中。”

图片

工业微波干燥/膨化装备。

非油炸的膨化机

“接地气”应用不止于此。在实验室工厂,还有一台食品加工设备——沙琪玛膨化机,与普通的生产线并无二致。流程简单,需要将沙琪玛的原料生面段放到输送台上,进入加工机器里,最快半分钟,出来时,已经呈现膨化状态。

设备原理,利用微波辐射加热,使面段中的水分吸热汽化,带动食品物料组织迅速膨化,变得松软、口感酥脆。微波加热速度快,所需时间为常规方法的1/4,设备连续生产,能源仅使用电,让沙琪玛彻底告别油炸。

同样的原理,利用微波加热由内而外的特性,不通过油炸即可膨化物体,团队将机械稍加改良,即可用于烟梗处理。

要知道,烟梗约占叶重25%~30%。作为烟草生产大国,我国每年约有数十万吨烟梗被弃置浪费。只需将其通过微波加热迅速膨化,体积扩大2至3倍,膨化后的烟梗颗粒在卷烟配方中应用,卷烟燃烧性能提高,木质气味降低,降低卷烟气中的焦油。

图片
微波等离子体清洗。

不用“水洗”的芯片“洗衣机”

实验室还研制了用于芯片制造过程的微波等离子体清洗装备,解决了“中国芯”关键难题。

在芯片制造过程中,晶圆光刻前需要涂光刻胶,这种光刻胶如何快速、有效地被清洗干净?

实验室根据前期研究,拥有多项“杀手锏”——等离子体在线式参量测量技术、基于参数等效的三维微波等离子体多物理场仿真方法,这些技术解决了大面积微波等离子体高效率、高均匀性设计难题,衍生出用于多款高性能微波等离子体清洗装备。

只需要将带有光刻胶的晶圆放入设备中,高性能微波等离子体将氧气电离,变成氧化性非常强的气体。此时,在低温下,光刻胶变成了水、一氧化碳、二氧化碳。相比于传统射频等离子体,该装备反应更快,对晶圆的损伤更小,完全满足干法清洗的要求。

基于这一成果,实验室“揭榜”成都市、合肥市科技项目,金额总数1300万元,开发了国内首套全国产化、用于半导体键合的高性能微波等离子体清洗装备。

目前,该设备达到生产线需求,有望进一步拓展其在先进封装和先进制造领域的应用,为半导体生产装备的国产化提供有力支撑。

(受访者供图)