“机械梦工厂”里材料有了超能力

  人类是怎么来实现从古时的“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？

  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“机械梦工厂”。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。

  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？

  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连接，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，微波技术大范围的应用于雷达、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教育培训、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、电子科技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，“需要经年累月的实验积累。”

  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，可以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、大气的影响就较小，加之它具有穿透性，便于送能。

  前段时间，阿迪达斯一款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。

  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，就可以实现批量生产。

  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，怎么来实现？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1000摄氏度左右时，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。

  这间“机械梦工厂”，利用微波特性，为材料赋予“超能力”，再依据需求方的要求，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。

  日常使用微波炉热饭，总会出现有冷有热的情况。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。

  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内加热，每个东西放置的位置不同，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一样的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。”

  “接地气”应用不只于此。在实验室工厂，还有一台食品加工设施——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。

  设备原理是利用微波辐射加热，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，烟梗占叶重的25%—30%，作为烟草生产大国，我国每年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，木质气味减少，降低卷烟气中的焦油量。

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

  在芯片制作的完整过程中，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，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，该设备达到生产线要求，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。

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