Plasma

Los plasmas fríos se encuentran lejos del equilibrio térmico: los electrones, iones y átomos neutros que los constituyen tienen temperaturas diferentes. Esto confiere a los plasmas fríos unas propiedades de gran interés aplicado
Francisco José Gordillo Vázquez

L
CONCEPTOS BASICOS
Cuando se habla de plasmas —gases de iones, electrones libres y, si la ionización no es perfecta, partículasneutras—, se suele pensar en los sumamente calientes de que están hechas las estrellas. Sin embargo, en los plasmas fríos iones y partículas neutras tienen una temperatura de sólo unas decenas de grado. Los electrones, en cambio, se encuentran a muchos miles de grados. Las numerosas aplicaciones industriales de los plasmas fríos sacan partido de la gran diferencia de energía entre las especies que losconstituyen. La lámparas de bajo consumo, la tinción del algodón, la inscripción de patrones en obleas de silicio o el tratamiento de superficies son algunas de esas aplicaciones.

a primera vez que la palabra plasma apareció impresa en un texto científico relacionado con el estudio de las descargas eléctricas en gases data de 1928. Irving Langmuir publicó ese año su artículo Oscilaciones engases ionizados en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos. Fue el bautizo del estado de la materia predominante en el universo conocido (se estima que hasta el 99 % de la materia es plasma), aunque no en nuestro planeta, donde las condiciones de presión y temperatura hacen que nos parezcan comunes los estados de la materia —sólido, líquido y gaseoso— que en términosglobales son exóticos. Basta añadir energía al sólido (en forma de calor o de radiación electromagnética) para pasar al estado líquido, a partir del cual se obtiene gas mediante un aporte adicional de energía. Si seguimos añadiendo energía al gas lo ionizaremos parcial o totalmente, esto es, arrancaremos electrones de los átomos o moléculas que lo constituyen. Alcanzamos de esa forma un nuevo estado dela materia, el plasma, constituido por electrones libres, átomos y moléculas (partículas eléctricamente neutras) e iones (dotados de carga eléctrica positiva o negativa). La energía necesaria para generar un plasma puede suministrarse de varias maneras: mediante el calor originado en un proceso de combustión, mediante la interacción entre radiación láser y un sólido, líquido o gas, o mediantedescargas eléctricas en gases, en las que los electrones libres toman energía del campo eléctrico aplicado y la pierden en procesos de excitación e ionización de los átomos y moléculas del gas. La luz emitida por un plasma, su espectro de emisión característico, viene determinada por el tipo de átomos, moléculas e iones que lo forman. Estos componentes, al desexcitar-

se, emiten radiaciónelectromagnética, visible o no. Una de las peculiaridades de los plasmas es que conducen la electricidad. A escala macroscópica, los plasmas son, no obstante, eléctricamente neutros, ya que el número de cargas positivas y negativas es similar. Así, la llama producida por la combustión de la cera de una vela con el oxígeno del aire —ejemplo habitual de plasma muy poco ionizado— puede conducir laelectricidad. El estudio de fenómenos naturales comunes en nuestro mundo nos ha enseñado que los rayos, las auroras, la ionosfera y las descargas eléctricas recientemente descubiertas en la alta atmósfera (entre 50 y 90 km de altura) son distintos tipos de plasmas naturales presentes en la envoltura gaseosa de nuestro planeta. Más allá de la Tierra, hay plasmas en el Sol y las demás estrellas, en el vientosolar, en la cola de los cometas y en el espacio interestelar. Las primeras observaciones relacionadas con los plasmas se remontan a los experimentos de Georg Christoph Lichtenberg, profesor de la Universidad de Gotinga en el último tercio del siglo xviii y hoy más recordado como escritor. Al situar un material aislante entre un electrodo puntiforme y una placa metálica, y someterlo a una elevada...