你知道《蝙蝠俠》中的大反派冰凍先生用來”冰凍”敵人的冷凍射線槍嗎？弗吉尼亞大學的一位教授認為，他可能已經知道如何在現實生活中製造一把這樣的槍了。這一發現令人驚訝地基於發熱等離子體–並非用於武器。機械與航空航天工程教授帕特里克-霍普金斯（Patrick Hopkins）希望為航天器和高空噴氣式飛機內部的電子設備製造按需表面冷卻裝置。

霍普金斯說：”這是目前的主要問題。”飛船上的很多電子設備都會發熱，但它們卻沒有辦法冷卻下來。”

美國空軍非常看好冷凍射線的前景，因此在三年內向霍普金斯教授的ExSiTE 實驗室（熱工程實驗與模擬）撥款75 萬美元，用於研究如何最大限度地利用這項技術。此後，該實驗室將與霍普金斯大學的衍生公司激光熱能公司合作，製造原型設備。

這位教授解釋說，在地球上–或者在更接近地球的空中–軍用飛行器中的電子設備通常可以通過自然冷卻。例如，海軍使用海水作為液體冷卻系統的一部分。而在離地面較近的地方，空氣密度足以幫助保持飛機部件的冷卻。

博士生薩拉-馬卡里姆-霍塞尼和丹尼爾-赫特在觀察等離子射線裝置。雖然赫特戴著針織帽，穿著蓬鬆的外套，但冷卻是局部的，對周圍的室溫影響不大。圖片來源：湯姆-科吉爾

太空挑戰

然而，”對於空軍和太空部隊來說，你在太空中，那裡是真空的，或者你在高層大氣中，那裡只有很少的空氣可以降溫，”他說：”因此，電子設備的溫度會越來越高。而你又不能攜帶有效載荷的冷卻劑，因為這會增加重量，降低效率。”

霍普金斯相信，他正朝著輕量級解決方案的方向前進。他和合作者最近在《ACS Nano》雜誌上發表了一篇綜述文章，介紹了這一技術和其他技術的前景。

等離子體： 物質的第四種狀態

我們日常接觸的物質有三種狀態：固態、液態和氣態。但還有第四種狀態：等離子體。雖然對地球上的我們來說，等離子體似乎相對罕見，但它卻是宇宙中最常見的物質形式。事實上，恆星就是由它構成的。

霍普金斯說，當氣體通電時就會產生等離子體。氣體的類型和其他條件不同，等離子體的特性也不同。但所有等離子體的共同點是最初的化學反應，這種反應會使電子脫離核軌道，並釋放出光子、離子和電子等高能物質流。例如，我們可以從閃電的突然閃現或霓虹燈的溫暖光芒中看到令人瞠目結舌的結果。

雖然等離子屏幕電視曾經風靡一時，後來又被淘汰，但不要被它所迷惑。等離子在科技領域的應用越來越廣泛。許多空軍最快速的噴氣式飛機的發動機就已經使用了等離子體。等離子體可以幫助燃燒，提高速度和效率。

本例中的等離子體噴流由氦氣製成，能產生紫色光暈。實驗室還將對其他氣體進行實驗，以確定哪種氣體最適合用於冷卻。資料來源：湯姆-科吉爾

等離子體在飛船內部的潛力

不過，霍普金斯描繪了等離子體在飛船內部的應用。空氣和太空電子設備的典型解決方案是使用”冷板”，將電子設備的熱量傳導給散熱器，再由散熱器釋放出來。然而，對於先進的電子設備來說，這可能並不總是足夠的。

霍普金斯認為，修改後的設置可能類似於一個機械臂，它可以根據溫度變化進行移動，並配有一個短小的近距離電極，可以對熱點進行電擊。這種等離子體射流就像激光束，就像閃電。它可以非常局部化。

事實：等離子體的溫度可以達到太陽表面的溫度。但它似乎也有一個奇怪的特性–似乎違反了熱力學第二定律。當等離子體撞擊表面時，它實際上是先冷卻後加熱。

霍普金斯和他的合作者、美國海軍研究實驗室的斯科特-沃爾頓在幾年前，也就是大流行病肆虐之前，發現了這一意想不到的現象，他定制的微型儀器可以記錄細微的熱量變化。

在實驗中，他們將氦氣產生的紫色等離子體射流穿過一根用陶瓷包裹的空心針。目標是一個鍍金表面。研究人員選擇金是因為它是惰性的，而且他們希望盡可能避免聚焦光束對錶面的蝕刻，因為這可能會影響實驗結果。

霍普金斯說：”因此，當我們開啟等離子體時，我們可以立即測量等離子體照射到的地方的溫度，然後觀察表面的變化。我們看到表面先冷卻，然後再升溫。我們可以立即測量等離子體撞擊到的地方的溫度，然後我們可以看到表面如何變化，我們看到表面先冷卻，然後又升溫。我們沒有任何信息可以利用，因為之前沒有任何文獻能夠像我們這樣精確地測量溫度變化。沒有人能夠如此迅速地做到這一點。”

通過與當時的弗吉尼亞大學博士研究員約翰-托姆科（John Tomko）的合作，以及與海軍實驗室的持續測試，他們最終確定，表面冷卻一定是由於爆破了由碳和水分子組成的超薄、難以察覺的表層。當我們游泳後皮膚上的涼水蒸發時，也會發生類似的過程。

教授說：”身體上的水分子蒸發需要能量；它從身體中獲取能量，這就是為什麼你會感覺冷。在這種情況下，等離子體撕開被吸收的物種，能量被釋放出來，這就是冷卻的原因”。

霍普金斯大學的顯微鏡通過一種叫做”時間分辨光學測溫”的過程工作，測量一種叫做”熱反射”的概念。

基本上，當表面材料較熱時，它對光線的反射與較冷時不同。之所以需要專門的瞄準鏡，是因為等離子體會遮住任何直接接觸的溫度計。

那麼冷到底有多冷？他們確定，他們能夠將溫度降低幾度，而且時間只有幾微秒。雖然這看起來並不誇張，但足以對某些電子設備產生影響。

大流行延遲後，霍普金斯及其合作者在去年的《自然-通訊》上發表了他們的初步研究成果。

然後問題就來了： 他們能否讓反應更冷、持續時間更長？

改進冷凍射線

之前，弗吉尼亞大學實驗室使用的是海軍借來的設備–它非常輕便安全，經常用於學校的演示–現在，由於空軍的資助，弗吉尼亞大學實驗室擁有了自己的設備。

研究小組正在研究如何對原始設計進行改進。博士候選人薩拉-馬卡里姆-霍西尼（Sara Makarem Hoseini）和丹尼爾-赫特（Daniel Hirt）正在考慮等離子體可以針對的氣體、金屬和表面塗層。

赫特提供了實驗室的最新情況。他說：”我們還沒有真正探索過不同氣體的使用，因為我們仍在使用氦氣。到目前為止，我們已經用不同的金屬（如金、銅）和半導體進行了實驗，每種材料都有自己的用途，可以研究等離子體如何與它們的不同特性相互作用。由於等離子體是由各種不同的粒子組成的，改變所使用的氣體類型將使我們能夠看到這些粒子中的每一種粒子是如何影響材料特性的”。

赫特說，與霍普金斯大學合作開展具有如此重大影響的項目，重新喚起了他對研究的興趣，這在很大程度上要歸功於教授營造的支持性實驗室環境。