Plasma

El cuarto estado de la materia

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Entrada basada en el siguiente 🧵 hilo de Twitter:

¿Qué es el plasma?

Todos conocemos los tres estados de agregación de la materia: sólido, líquido y gas. Sin embargo, nos olvidamos de un cuarto estado muy común: el plasma, que representa el 99.9 % de la materia observable en el Universo. Qué menos que dedicarle una entrada, ¿no?

La definición sencilla sería: gas ionizado. En un gas, la mayoría de las moléculas son eléctricamente neutras. Por ejemplo, el átomo de oxígeno tiene 8 protones (+), 8 electrones (–) y neutrones (neutros). Mediante enlace covalente se forma la molécula de O2. Para tener un plasma, hay que ionizar algunas (> 1 % aprox.) de las moléculas que lo forman: deben perder electrones. ¿Cómo? Proporcionando energía al gas, a partir de un cierto umbral, mediante temperatura, un campo eléctrico, etc.

La generación de plasma: al proporcionar energía a un material, finalmente se produce un gas de electrones e iones (plasma). Fuente: https://www.researchgate.net/figure/The-generation-of-plasma-by-adding-energy-to-material-gas-of-electrons-and-ions-is_fig1_316569885.
La generación de plasma: al proporcionar energía a un material, finalmente se produce un gas de electrones e iones (plasma). Fuente: https://www.researchgate.net/figure/The-generation-of-plasma-by-adding-energy-to-material-gas-of-electrons-and-ions-is_fig1_316569885.

A diferencia de un gas, que es aislante, el plasma es un medio conductor. La interacción dominante entre sus partículas es electromagnética. En un plasma las interacciones son a grandes distancias, dando lugar al movimiento colectivo de sus partículas.

Representación artística de la [Magnetospheric Multiscale (MMS) Mission](https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetospheric_Multiscale_Mission). Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Artist_depiction_of_MMS_spacecraft_(SVS12239).png.
Representación artística de la Magnetospheric Multiscale (MMS) Mission. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Artist_depiction_of_MMS_spacecraft_(SVS12239).png.

Plasmas naturales

Gran parte del plasma en el Universo viene de las estrellas. Empezando por el Sol, nuestra estrella, que está tan caliente que la mayoría de su gas es en realidad un plasma, formado mayoritariamente por iones de hidrógeno y helio y por electrones.

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El propio Sol nos proporciona otro fenómeno relacionado con el plasma más cerca de la Tierra. Las auroras polares se deben a la interacción del viento solar (iones de hidrógeno y helio y electrones emitidos por el Sol) con el campo magnético y la atmósfera de la Tierra.

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Cuando el viento solar interacciona con la parte alta de nuestra atmósfera, la excitación y desexcitación del nitrógeno y el oxígeno, con energías definidas por sus niveles atómicos o moleculares, da lugar a esos bonitos colores en el cielo.

https://aurora.live/2020/04/aurora-borealis-colors-explained/
https://aurora.live/2020/04/aurora-borealis-colors-explained/

Otro plasma natural son los rayos. Como decíamos, los gases, y por tanto nuestra atmósfera, son buenos aislantes eléctricos. Es la generación de un plasma (conductor) la que permite la transferencia de carga entre las nubes y la Tierra en un día de tormenta.

Un diagrama que muestra lo que puede causar un rayo. Algunos científicos creen que es causada por partículas de alta energía que golpean la Tierra desde el espacio. Traducida y adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lightning.svg.
Un diagrama que muestra lo que puede causar un rayo. Algunos científicos creen que es causada por partículas de alta energía que golpean la Tierra desde el espacio. Traducida y adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lightning.svg.

Plasmas artificiales

Hasta ahora hemos visto ejemplos en la naturaleza. También hay ejemplos de plasma artificial, generado por el ser humano. Empezando por las lámparas de vapor de sodio, que aún se usan en algunas ciudades, como contó Jorge Corrales en este precioso hilo:

En ciencia de materiales también aprovechamos el plasma. Veamos un ejemplo. La base sobre la que se fabrican dispositivos como los chips o las células solares es la oblea de un material semiconductor, como el silicio. En la imagen se ven como espejos, ¿verdad?

[Obleas](https://es.wikipedia.org/wiki/Oblea_(electrónica)) pulidas de [silicio](https://es.wikipedia.org/wiki/Silicio). Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Siliziumwafer.JPG.
Obleas pulidas de silicio. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Siliziumwafer.JPG.

Eso es porque el fabricante las limpia y pule mediante procesos químicos o mecánicos, hasta tener rugosidades de muy pocos nanómetros. Sin embargo, en estas superficies tan pulidas sigue habiendo residuos orgánicos, que pueden venir mismamente del aire.

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Una de las formas de eliminar estos residuos de la superficie es mediante plasma. Para generarlo, se suele trabajar con campanas donde se insertan moléculas de cierto gas (por ejemplo oxígeno) y se aplica un campo eléctrico:

https://www.researchgate.net/figure/O2-plasma-cleaning-process-Left-ionized-Oxygen-atoms-are-bombarded-onto-the-sample_fig5_282665738
https://www.researchgate.net/figure/O2-plasma-cleaning-process-Left-ionized-Oxygen-atoms-are-bombarded-onto-the-sample_fig5_282665738

En muchos de estos dispositivos sabemos que el plasma se ha activado por el color que se observa cuando esto ocurre, con el mismo origen que en las auroras polares. Por eso, a mí me gusta verlo como una forma (por supuesto, a mucha menor escala) de ver una aurora polar:

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oxygen_Plasma_Cleaning.JPG
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oxygen_Plasma_Cleaning.JPG

Para ver un plasma en casa, se puede usar un microondas y uvas, pero puede ser peligroso. Así que, si vivís en Madrid, os recomiendo que hagáis como Javier Santaolalla y os acerquéis al Laboratorio de Física de Materiales de la Facultad de Físicas de la UCM. Ahí, Carlos Romero os puede enseñar un plasma violeta que consigue generar en un tubo, simplemente reduciendo la cantidad de gas en su interior y metiéndolo en el microondas1.

También nos pueden pillar cerca de casa las lámparas de plasma que hay en algunos museos de ciencia. Estas esferas de plasma sirven como una buena analogía a los rayos. El electrodo en el centro y nuestras manos cumplen el papel de las nubes y la Tierra, respectivamente, generándose rayos naturales de plasma entre ambos. Mirad las cosas que hacen con ellas Darek Dewey y Joe Cossette:

¿Sables láser o sables de plasma?

Para terminar la entrada, una curiosidad y un comentario friki. Como curiosidad, la primera patente de las lámparas de plasma pertenece al gran inventor serbo-croata Nikola Tesla.

Como comentario friki, creo que deberíamos llamar a los sables láser de Star Wars sables de plasma. Hemos visto que con un plasma es posible, mientras que con luz láser hay muchos problemas. Entre otros, ¡la luz láser saldría del sable y dañaría los ojos de los jedis!

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Para aprender más sobre el plasma y ver plasmas de distintos elementos recomiendo este vídeo de Reacciona Explota:


  1. Alberto Aguayo nos recomienda este artículo donde se explica la generación de plasma en un recipiente a baja presión en el microondas. ↩︎

Manuel Alonso Orts
Manuel Alonso Orts
✍️ Blog

Físico, especializado en propiedades ópticas de (nano)materiales semiconductores. Postdoc en la Universidad de Bremen (Alemania).

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