光刻机真空密封：人造真空的科学
光刻机真空密封：人造真空的科学所以这些统统不在本文的讨论范围内。狄拉克之海一、真空的定义真空的物理模型有很多，比如早先的真空就是空无一物，只有时间和空间，之后Dirac提出的真空是一片充满负能态电子的海洋等。就目前而言，人类还没法制造“负能态电子的海洋”或“绝对的无”。
提到真空，进入脑海中的可能是茫茫宇宙，星辰之间几乎只被无限的孤独充盈。
也可能是真空包装的美食，吃货的胃在不断地被它们满足着。
也可能有人想到的东西比较“硬核”，是回旋加速器，是冷冻电子显微镜，更是ASML的极紫外光刻机，行，再说就要劝退了。
本文将先介绍什么是真空，再说明人造真空的应用以及制造真空的方法。后两部分是重头戏。
真空是什么？
一、真空的定义
真空的物理模型有很多，比如早先的真空就是空无一物，只有时间和空间，之后Dirac提出的真空是一片充满负能态电子的海洋等。
就目前而言，人类还没法制造“负能态电子的海洋”或“绝对的无”。
狄拉克之海
所以这些统统不在本文的讨论范围内。
本文将讨论的真空是偏向于工业的真空，即：
真空是在给定的空间范围内，气体压强低于一个大气压的气体状态，是较为稀薄的一种气体状态。
本文讨论的关键就是这样一种气体状态，是生活中和科研中处处可见的一种真空。
二、真空的分类
真空分为两类，一类是自然真空，一类是人造真空。
群星之间就是自然的真空，气体极度稀薄，但也有微量的气体，这也是卫星有掉下来的趋势的原因。
拔火罐的时候会用火去烧罐子把里面气体赶出来一些，这就是人造真空了。
典型的人造真空，利用“热胀冷缩”赶气体
三、真空的性质
真空既然是气体分子少，那么相比空气肯定有一些独特的性质：
性质1：气体分子热运动平均自由程长
热运动平均自由程说白了就是：一个气体分子分别两次与其他分子碰撞，第一次碰撞结束到第二次碰撞开始走过的距离。
可以推理，真空程度越高，气体分子越少，碰撞机会越渺茫，自由程越长。
当然也可以推理，气体分子和容器里的任何物体碰撞机会都会小。
性质2：压力低，稳定相改变，化学平衡改变
拿我们都知道的水举例：
图中“液”的意思就是这个温度-压力下液态水是稳定存在的，气态和固态水都不稳定，有自发变成液态的趋势。
而且可以看出，当水达到100°C时，水会进入气态相区（通过M点往右走），此时水的气态就是稳相，液态水会自发地变成气态，即沸腾。
同时可以发现，如果压强降低（A→B），水低于100°C（C→D）也可以进入气态的相区（对应从N点往右走）。
这也是高原做饭必须要用高压锅的原因，因为大气压强太低，水沸点降低，煮饭不到100°C水就沸腾，做不熟。
这点对于水来说是这样，对于其他物质也有着类似的特点。
气体分压对化学平衡的影响不赘述了，中学化学都有学过。
梦回高三，勒夏特列原理
人造真空的应用生活上的应用大家都比较熟悉了，吸尘器，白炽灯，真空包装都有用到。
本文主要以上面提到的两个性质为分类依据，介绍一些人造真空在科学和科技中的实例。
- 利用性质1
①粒子加速器
把粒子加到超高速一直是高能物理学家的目标之一，超高速的粒子束在对撞后会出现一些基本粒子，比如夸克呀，希格斯玻色子什么的。
“高能物理一大撞”，正是对撞机才促进了高能物理的发展，也直接影响了人类对微观世界本质的认识。
LHC升级后可以比当年撞出希格斯玻色子用更高的碰撞能量，现在能到13TeV，是当年的1.5倍多
但是我们呼吸的空气里有大量的气体分子，在加速过程中势必会和加速粒子产生碰撞，导致加速结果不佳，这时候就必须把粒子加速器内部尽可能抽真空。
实际上一些加速器在开启前需要用数百台真空泵工作两周，抽到最后每立方厘米还会有大概10万多个粒子在到处漂。不过这也勉强够用。
②芯片光刻机
同样地，在半导体芯片制造业，光刻机的重要性不言而喻。光刻机介绍
ASML的EUV光刻机，黄绿色的是光路
EUV光刻机在把极紫外光打到光刻胶前是要走过一小段路程的的，这段路程中如果有气体存在会导致光“打偏了”或者“被吃了”，导致光刻精度下降，芯片质量不佳。
所以EUV光刻机的腔体基本是全部抽真空的，这东西卖几个亿一台是有道理的。
③冷冻电子显微镜
再举一个例子，2017年斩获诺贝尔奖的冷冻电镜中，电子枪发射的电子束在打到样品前需要被电磁透镜多次汇聚，这段走过的路程中势必会和气体分子发生碰撞，同样需要把这些空间整个抽真空。
左图是外部，右图是内部
- 利用性质2
在材料科学领域，很多样品制备好后里面还有不少残留的水，丙酮等溶剂，为了提纯需要把溶剂去除掉，这时候会采用真空干燥这一手段。拿水举例：
首先说明，水沸腾比水蒸发流失水的速度快很多，一般采用使水沸腾来加快干燥。
但是有些样品易燃易爆很不稳定，受不了高热或者容易和空气中的氧气反应，这时候真空干燥就登场了。
611.73Pa的水甚至能在0.0075°C沸腾，此时，水、冰、水蒸气三相共存，达到水的大和谐
比如在19.6kPa的气压下（差不多20%的大气压），水的沸点可降到60°C，这时候不需要把样品加热到很高的温度就可以快速干燥样品。
这就是是加热真空干燥，实际上还有一种冷冻真空干燥的方法。
真空加热干燥虽然是较为温和的干燥方法，可惜有些材料的样品是十分脆弱的。
比如某些生物制品，常温就能霉变，温度一高就失活，接触氧气多了也不行，就像苏大强一样，娇贵得很。那么那些样品该怎么除水呢？
可以推测干燥这种样品的环境需要满足：低温，气体少（低压）。普通的沸腾是没法解决这个问题了，看水的相图plus：
可以发现，在低温低压下水可以直接变成气态，那么我们只需要在常压下把样品和水一起冻住（A），然后在低温条件下抽真空（绿箭头）就可以让冰进入气态的相区（B），冰就不稳定了，会自发地变成气体升华掉。
怎么创造真空？真空带给科学和科技的便利是显而易见的，那么如何制造真空环境呢？
很明显首先需要一个能把气体抽出来的设备，只抽出气体也不行，还得防止外部气体进入真空环境，那么还需要一个密封设施。
以上就分别对应着真空泵和结构材料＋密封物质。
张牙舞爪的真空系统
结构材料和密封物质没啥可说的，主要聊真空泵，看看科学上用的真空泵和吸尘器的抽气机有啥不同。
真空泵可以根据抽气原理分为两类，一类是气体传输泵，一类是气体捕获泵。
实际上没有任何一种真空泵可以覆盖全部压强范围，很多时候都是联用，需要前级泵
气体传输泵通过气体不断吸入和排出真空泵达到抽真空的目的，以压缩方式将气体输送到系统之外。
这类泵应用十分广泛，食品的真空包装，吸尘器都是这个原理，好理解，不作重点介绍。
外啮合齿轮泵示意图，大部分机械泵都是这个原理
这是油扩散泵，有点特殊，用油分子把气体分子“撞开”
气体捕获泵通过各种吸气材料所特有的吸气作用将被抽空间的气体吸除。关键就是气体分子能吸附在材料上。
拿低温泵举例， 低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。
低温泵原理简介
那么为什么活蹦乱跳的气体分子就爱往低温板上聚集呢？这时候要把饱和蒸汽压-温度图搬出来了：
经液氦冷却的表面，许多气体如水，氧气，二氧化碳的饱和蒸汽压几乎为0，意思就是这些物质虽然气体固体两相共存，但是在相平衡（系统稳定）的时候气体的分压几乎为0。
即在冷凝前气体分子太多，不稳定，必须要冷凝成固体，直到气体分压接近0。这个原理和冷天进入有暖气的房间眼镜上会有雾一样。
同时那些不易冷凝的气体也会被冷凝气体形成的疏松介质捕集下来，再不行还有低温表面上的多孔吸附剂把他们拽下来，即吸附。
就像小学生课间操站队一样：
冷凝：空旷的操场上是活蹦乱跳的小学生，结果突然出现了一排老师，由于怕不老实挨罚，老师周围的小学生马上过去站队，稍微远一点的小学生感觉不对劲，也逐渐过去站队，最终就都站（冷凝）在老师跟前（在冷凝板上）。
裹挟，捕集：同时，老实的小学生（易冷凝）还会把不老实的小学生（不易冷凝）拉过来一起站队。
吸附：老师（冷凝板）直接出手把小学生（气体）抓过来。
这就是低温泵的原理了。
总结
本文主要介绍了什么是真空，真空的两个性质：一是碰撞少，二是压力低。并根据这两个性质分别举了几个应用的例子。还提了一下人造真空的思路，就是在密闭环境用真空泵把气体分子带走。
似乎是之前参观别人实验室拍的
如果回看本文，文中多次运用“相”解释问题，“相”可以说是材料学的精髓，是这个学科不同于物理和化学的重要属性。
优质的劝退效果
我将单独开一期甚至多期硬核的科普介绍这个概念，点关注不迷路。
我是生物材料小小虫，欢迎关注我，持续带来严肃又好玩的科普。
