碳纖維引發的終極高溫：8000 K 電漿

在現代的材料科學和工程領域中，能夠在極高溫度（1000°C 以上）下進行化學合成是非常關鍵的技術，因為這足以讓研究者開發具有特殊性能的新材料，比如超高溫陶瓷、難熔金屬合金，以及先進的複合材料（兩種或多種不同材料組成）。這些材料的應用範圍廣泛，從航空、航天到核反應堆，這些材料的特性是重量輕、剛性高、壽命長、耐腐蝕。然而，目前在極端溫度下進行材料合成仍面臨著許多困難，比如需要高能量的輸入、合成過程中溫度的不均勻性、以及對環境的潛在影響（高碳排放）。傳統的高溫合成方法，比如「高溫爐」和「電弧放電」，它們雖然能達到所需的高溫，但難以維持溫度的穩定性和均勻性，這會直接影響產物的品質和性能。除此之外，這些方法非常耗能，且操作不易，這些缺點限制了它們在工業領域中的應用，導致無法大量生產具有特殊性能的材料。若未來科學家能開發出一種「能在大氣壓下產生穩定且均勻的極高溫環境的技術」，將會對於材料科學有巨大貢獻。

近日，美國馬里蘭大學和普林斯頓大學的研究團隊，成功開發出一種在大氣壓下產生穩定、均勻極端高溫的電漿（帶電氣體）的新技術。這項技術利用「碳纖維增強電極」產生高達 8000 K 的穩定電漿，這在傳統方法中是難以實現的。「碳纖維增強電極」是由兩種碳纖維構成：長碳纖維和短碳纖維。當電壓施加在長纖維上時，它們會產生微小的火花，這些火花就像是形成電漿的「點火裝置」；一旦長纖維產生了火花，這些較短的纖維則會將這些小火花擴展成一個大的、熱度非常高的電漿。簡單來說，就像在一個燒烤爐中，長碳纖維像是點火器，一旦點燃後，短碳纖維就像是木炭，幫助火焰擴散開來，最終形成一個穩定且熱量集中的火焰，這個「火焰」就是電漿。這項技術不僅克服了傳統高溫合成的限制，而且能夠在幾秒內合成各種極端材料，比如碳氮化鉿（Hafnium carbonitride）和鎢、鈮、鈦的難熔金屬合金，以及直接從碳黑中合成了碳納米管，無需使用任何催化劑。研究人員表示，這項研究揭示了一種能夠有效控制電漿的溫度和穩定性的方法，為未來材料科學的發展開闢了新的方向。