Lidé znali postup, ale nevěděli, co se přesně v mikrovlnce děje

Nedávno médii proběhla zpráva o tom, že se fyzikům konečně povedlo objasnit, jak vzniká uvnitř mikrovlnky plazma z bobulí hroznového vína. Jmenovitě tehdy, když v ní pomocí speciálního postupu umístíme rozkrojenou bobuli tohoto ovoce. Tento postup byl objeven možná už před dvaceti lety (i když asi nejvýraznější pokusy se objevily na Youtube v roce 2011), a to v podstatě náhodou, tedy empirickou metodou pokus-omyl.

Nikdo ale donedávna přesně nevěděl, jakým konkrétním způsobem se plazma v těsném okolí rozkrojené bobule hroznového vína vytvořilo, přestože tento problém mezitím zkoumalo již více vědeckých týmů. Až začátkem tohoto roku podalo věrohodné vysvětlení trio kanadských fyziků z Trent University. Své výsledky pánové Hamza K. Khattak, Pablo Bianucci a doktor Aaron D. Slepkov publikovali v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Většina experimentátorů postupovala tak, že bobuli hroznového vína rozpůlili ostrým nožem na dvě poloviny, přičemž nechali obě "polokoule" vzájemně spojené tenkým a úzkým mostem ze slupky. Takto rozkrojené půlky byly pak položeny rozkrojenou dužinou čili obnaženou částí vnitřku nahoru, zhruba do středu talíře v mikrovlnné troubě. Po spuštění mikrovlnky na plný výkon se pak celkem brzy (po cca 10 sekundách) objevila v místě styku polokoulí malá ohnivá koule, která rychle explodovala, stoupala vzhůru a byla identifikována jako oblak plazmatu.

Nikdo však před vstupem kanadského tria nevěděl, jak tato koule vznikla a také z jakého materiálu se v daném místě zformoval ionizovaný plyn. Většinou se nedoporučovalo při tomto pokusu nechat mikrovlnku spuštěnou déle než 20-25 sekund. Oba kusy bobule měly navíc tendenci během jiskření a explozí v místě styku od sebe odskakovat (i proto bylo důležité, že polokoule zůstaly dohromady spojené slupkou, protože jak se ukáže dále, právě jejich blízkost je podmínkou vzniku plazmatu).

Podobný oblak plazmatu přitom není zcela nevinným úkazem, je schopen například propálit i plastové nádoby, pokud by mu stály v cestě, tedy pokud by někdo třeba chtěl ve vzduchu plovoucí plazma uzavřít do plastikového poklopu.

Bobule vína musí mít správnou velikost

Vědci se nejdříve zabývali hypotézou, že dvě půlky bobule vytvářejí strukturu, která funguje jako anténa a nějak zesiluje intenzitu elektromagnetického pole v daném místě, což by mohlo přímo vést k ionizaci nějakého materiálu (například vzduchu) prostřednictvím vysokého elektrického napětí a energie elektrického výboje. Ve skutečnosti se ukázalo, že ionizace materiálu má v místě dotyku obou "polokoulí" spíše příčinu tepelnou - příslušná místa v rámci ovoce, kde mají k sobě polokoule nejblíže, se najednou začala silně nadprůměrně ohřívat, mnohem více než všechen okolní materiál uvnitř bobulí.

Nešlo ani primárně o ohřívání okolního vzduchu nebo vodních par v okolí ovoce, ale přímo materiálu bobulí, tedy vody plus příměsí v nich. Zde také zřejmě vzniká i samotné plazma, díky jistému rezonančnímu jevu, který velmi fokusuje (jakoby zaostřuje či stlačuje) a zesiluje elektromagnetické pole v okolí dotyku rozkrojených půlek. Tato rezonance je umožněna díky tomu, že vlnová délka typických elektromagnetických vln v mikrovlnce, procházejících bobulemi, je asi 12 milimetrů, což zhruba souhlasí s rozměrem bobulí.

zdroj: YouTube.com

Bobule plné vody vlastně tvoří jakýsi nástroj podobný čočkám, ve kterých dochází lokálně díky jejich velkému indexu lomu k fokusaci a zesilování elektromagnetických vln v jistých místech. Zároveň se v prostředí bobulí fázová rychlost vln i jejich vlnová délka ze stejného důvodu zmenšuje asi v poměru 1:10 oproti stejným jejich parametrům ve vzduchu (ve vzduchu jejich vlnová délka činí asi 12 centimetrů, jak víme).

U nerozkrojených jednotlivých bobulí bylo přitom elektromagnetické pole jakoby uvězněno uvnitř, v jakémsi rezonančním módu ve formě stojatých vln a mimořádně žhavé místo se vytvořilo blízko středu bobule, kde bylo elektromagnetické pole nejsilnější. Příslušná teplota ve středu bobule však nestačí na ionizaci atomů a molekul.

Nutno poznamenat, že k výrobě plazmatu nakonec stejně dobře poslouží i dvě nerozkrojené bobule, pokud je umístíme velmi těsně vedle sebe. Pokud tedy bobule nebo jejich půlky přiblížíme dostatečně blízko k době, horká místa uvnitř bobulí se k sobě začnou přibližovat, "stěhovat", až nakonec splynou v jedno superhorké místo, kde začne ionizace molekul a atomů a to jak v rámci materiálu bobulí, tak i složek vzduchu.

Vidíme zde dokonce přeskakovat jiskry z jedné bobule na druhou, přes krátkou vzduchovou mezírku. Jakmile vznikne první ionizovaný plyn, nabírá z elektromagnetického pole v mikrovlnce rychle další energii a dochází pak k lavinovité ionizaci materiálu kolem. Vzniklý oblak plazmatu pak dokonce pulsuje s frekvencí o dvojnásobku frekvence střídavého proudu odebíraného z elektrické  sítě, protože přesně se stejnou dvojnásobnou frekvencí pulsuje i elektromagnetické pole uvnitř mikrovlnky.

Hroznové víno nakonec není podstatné... 

Kanadští fyzikové po základních testech podrobili na půlky rozkrojené bobule hroznového vína ještě velké sérii pokusů, během níž všemožně měnili různé parametry a nastavení celé situace. Občas také použili i jiné, i když podobné předměty. Celý proces přitom snímali jak termokamerou, tak ho i simulovali na počítači.

Ukázalo se, že plazma se nevytváří jen v bobulích hroznového vína, ale i v jiných podobně velkých rozkrojených či dokonce nerozkrojených kulovitých plodech a dokonce i v plastikových hydrogelových koulích o podobné velikosti, nasycených vodou bez příměsí. Vždy se poblíž dotyku dvou polokoulí či koulí vytvořila v obou objektech mimořádně horká místa, která se zahřívala stále víc, až v oblasti kontaktu obou polokoulí vznikla malá koule explodujícího plazmatu. Dokonce někdy ani obě polokoule spolu nemusely být spojeny, stačilo pouze, aby mezi nimi byla mezera, menší než tři milimetry.

Efekt také podporuje, pokud bobuli vína před pokusem částečně zbavíme vody, tj. vysušíme. Nijak neupravená jediná bobule vína v mikrovlnce však nic podobného neudělá, stejně jako dvě bobule či kuličky od sebe dostatečně vzdálené. Pouze vzájemná interakce dvou velmi blízkých bobulí nebo koulí s vodou o přibližném průměru 12 milimetrů vyvolá vznik plazmatu.

Nakonec vědci podrobili horký plazmový oblak spektroskopické analýze a zjistili, že jde hlavně o elektrony, odtržené od iontů sodíku a draslíku, což odpovídá jistým složkám materiálu bobulí. Velká část iontů v oblaku plazmatu však zjevně vznikla i z molekul plynů, přítomných ve vzduchu.

Využití při výrobě mikročipů

Vědci nakonec zjistili, že informace z těchto hravých a zdánlivě neužitečných pokusů bude dokonce možné využít v praxi, konkrétně v elektrotechnickém průmyslu, při výrobě extrémně jemných mikročipů. A to právě díky zjištěné fokusaci elektromagnetických vln uvnitř bobulí!

Samozřejmě zde vědci nebudou využívat přímo hroznové víno, ale jiné materiály s analogickými vlastnostmi. Nepůjde také o mikrovlny ale o litografii prováděnou pomocí paprsků viditelného světla, tedy elektromagnetických vln s mnohem kratšími vlnovými délkami.