Tratando superfícies com um plasma de pressão atmosférica fria usando o CUSTO-Jet

Aqui, demonstramos o uso de um jato de plasma de pressão atmosférica para tratamentos superficiais de diferentes materiais. A configuração experimental para um jato de plasma de pressão atmosférica pode ter um tremendo efeito sobre os parâmetros de plasma, química e desempenho e, consequentemente, influencia o resultado dos tratamentos plasmológicos e é um passo crítico no protocolo.

Como exemplo, as linhas de fornecimento de gás desempenham um papel importante em relação à impureza mais comum no gás de alimentação do plasma que é a umidade. Em particular, a produção de espécies reativas de nitrogênio no plasma é reduzida enquanto a produção de espécies reativas de oxigênio é favorecida, devido à baixa energia de ionização de oxigênio em comparação com moléculas de água e nitrogênio³⁵. O inverno²⁴ descobriu que a umidade do gás de alimentação originária de moléculas de água na superfície do tubo interno é uma ordem de magnitude maior usando tubos poliméricos em comparação com tubos metálicos devido à maior porosidade e capacidade de armazenamento. Pode ser reduzido lavando as linhas com gás de alimentação. No entanto, secar a linha lavando leva algumas horas. Portanto, a tubulação polimérica deve ser evitada ou pelo menos mantida o mais curta possível. Esses achados são sublinhados por estudos de Große-Kreul²⁵. Eles compararam o efeito da poliamida e da tubulação de aço inoxidável na química do plasma usando espectrometria de massa. Suas medidas confirmam a formação de íons de aglomerados de água no plasma devido ao desgaseamento de água de tubos polimédicos e tempos de secagem mais rápidos com tubos metálicos. Além disso, eles investigaram o efeito de métodos de purificação de gás, como uma armadilha molecular de peneira e uma armadilha fria de nitrogênio líquido na química plasmática que ajudou a reduzir a quantidade de impurezas em cerca de duas ordens de magnitude.

Em vez de tentar purificar o gás de alimentação, há também a abordagem de adicionar uma quantidade controlada de umidade. Como essa impureza intencional então domina sobre as impurezas naturais e, portanto, controla a química plasmática, condições reprodutíveis são garantidas desde que a quantidade de umidade adicional seja precisamente conhecida.

Para a ignição da descarga, a tensão aplicada aos eletrodos geralmente pode ser aumentada simplesmente até o ponto de ruptura. No entanto, dependendo das condições superficiais dos eletrodos, às vezes é necessária uma alta tensão. Para facilitar a ignição, uma pistola de centelha de alta tensão pode ser usada. Isso também pode ser útil ao tentar inflamar uma descarga de argônio no COST-Jet.

Antes de aplicar o COST-Jet a quaisquer superfícies, deve-se alocar tempo suficiente para que o dispositivo se equilibre. Quando definido para os parâmetros de controle desejados, o COST-Jet precisa de aproximadamente 20 minutos para atingir condições estáveis¹¹. Durante este tempo, a temperatura do dispositivo, a temperatura do gás, bem como a química do plasma estão atingindo um estado estável.

Para comparação de resultados científicos, parâmetros de controle plasmá plasma comparáveis são necessários. Para medir a energia de entrada elétrica, o monitor de alimentação COST pode ser usado²⁹. O software é de código aberto e compatível com uma gama de diferentes tipos de osciloscópios. O software opera de acordo com o princípio descrito pela Golda¹⁹.

Além do efeito da umidade do gás alimentar na química plasmática, o transporte de espécies reativas do plasma para o substrato desempenha um papel importante na composição do efluente e é outro passo crítico no protocolo. A atmosfera circundante pode influenciar as espécies criadas no plasma a caminho do substrato. Para minimizar essa influência, dois conceitos diferentes são utilizados: (i) Em primeiro lugar, uma atmosfera controlada pode ser configurada que consiste no gás de alimentação. Assim, a composição da atmosfera circundante pode ser mantida constante. Dependendo do nível de pureza necessário para o tratamento, a atmosfera controlada pode ser realizada através de carcaças protetoras equipadas com uma válvula unidirecional para evitar a sobrepressão. Para níveis mais elevados de pureza, uma câmara de vácuo com uma bomba pode ser usada. (ii) Em segundo lugar, uma atmosfera controlada pode ser criada usando uma cortina de gás de proteção ao redor do efluente de plasma^36,37. Geralmente, consiste em um gás inerte, mas também pode ser variado de acordo com as necessidades da aplicação.

Felizmente, para o COST-Jet, a influência da atmosfera circundante é comparativamente baixa. Usando rotulagem isotópica, Gorbanev mostrou que para um jato de plasma de configuração de campo paralelo, as espécies reativas de oxigênio e nitrogênio que atingem uma superfície líquida foram formadas na fase de gás plasmápico, bem como na região entre o bocal de plasma e a amostra^38,39. Em contraste, usando a mesma técnica para o COST-Jet, eles descobriram que o RONS quase exclusivamente se originou da fase plasmática em vez do ambiente circundante²⁸. Isso provavelmente é devido ao campo elétrico estar confinado ao canal de plasma da descarga COST-Jet. Isso faz com que a descarga de plasma seja em grande parte independente de seu ambiente e lhe dá um certo caráter remoto.

Para um jato de plasma de campo elétrico longitudinal, Darny et al.⁴⁰ mostraram que a polaridade do campo elétrico modifica o padrão de fluxo de gás e, portanto, também sobre as espécies reativas que atingem um alvo devido ao vento iônico. A dependência da densidade de espécies reativas no meio ambiente foi confirmada por medições de Stancampiano et al.⁷. Relataram a diferença do número de espécies reativas criadas na água tratada, dependendo das características elétricas. Para compensar essas diferenças, eles tiveram que criar um circuito elétrico compensando. Este comportamento é diferente para o COST-Jet: A Figura 5 compara as imagens de Schlieren do COST-Jet sem uma tensão aplicada e durante a operação para duas taxas de fluxo de gás diferentes. As imagens foram tiradas usando um único alinhamento de linha de espelho, conforme descrito por Kelly⁴¹. Eles mostram como o efluente COST-Jet alinhado horizontalmente atinge um substrato de vidro plano. Ambas as imagens mostram exatamente o mesmo padrão de fluxo de gás. Isso resulta da falta de vento iônico devido à ausência de espécies carregadas no efluente plasmá-lo.

Além disso, o COST-Jet exibe um padrão de fluxo muito laminar. Kelly⁴¹ mostrou imagens de Schlieren semelhantes às apresentadas na Figura 5, para várias taxas de fluxo de gás. Mesmo com altas taxas de fluxo de gás de 2 slpm, o efluente plasmá plasma não mostra sinais de turbulência. A taxas de fluxo de gás muito baixas de 0,25 slpm e abaixo, a flutuação do efluente de hélio começa a desempenhar um papel. No entanto, a até 4 – 5 mm de distância do bocal, a atmosfera ambiente não influencia a composição do gás que atinge a superfície como demonstrado por Ellerweg usando espectrometria de massa¹⁷.

Todas as características acima mencionadas adicionam-se ao caráter remoto do COST-Jet. Isso o torna um candidato ideal para o tratamento controlado e comparável das superfícies.

Figura 5: Imagens de Schlieren do COST-Jet com e sem tensão aplicada para duas taxas de fluxo de gás diferentes. Durante a operação do plasma, o padrão de fluxo de gás se assemelha exatamente ao padrão com apenas o fluxo de gás. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Dependendo do efeito desejado na amostra tratada, a mistura de fluxo de gás dos parâmetros de controle, a energia elétrica aplicada e a distância entre a fonte de plasma e a superfície podem ser ajustadas em conformidade. Para o COST-Jet, existe um amplo banco de dados de literatura de estudos que investigam espécies reativas no efluente. Como exemplo, Willems³⁰ mediu a densidade atômica de oxigênio usando espectrometria de massa, enquanto Schneider⁴² mediu densidades atômicas de nitrogênio no efluente.

O tratamento de líquidos com plasma de pressão atmosférica pode causar uma variedade de possíveis mecanismos de reação impulsionados por espécies reativas, íons, fótons ou campos elétricos. Devido às características descritas anteriormente do COST-Jet, o efeito do campo elétrico, íons e fótons são insignificantes em comparação com as fontes de plasma onde o plasma está em contato direto com líquidos. Portanto, para estudar o efeito de espécies reativas de curta duração, como o oxigênio atômico em uma solução de fenol, o JATO COST foi usado por Hefny⁴³ e Benedikt⁴⁴. Além disso, o COST-Jet oferece uma possibilidade conveniente para comparar experimentos e simulações numéricas de tratamento líquido²⁸. Como a interação entre plasma e líquido é dominada pelo fluxo gasoso de espécies reativas do plasma para a superfície líquida, a complexidade do modelo pode ser reduzida.

O fluxo de gás induzido a mexer do líquido aumenta a taxa de reação entre espécies reativas geradas pelo plasma e o líquido. Em contraste com os tratamentos superficiais de sólidos, a convecção do líquido muda constantemente a concentração local de reagentes. Além disso, as taxas de reação entre espécies geradas por plasma com reagentes em líquido também são afetadas pela atividade superficial desses reagentes. Com o aumento da atividade superficial, a concentração do reagente na superfície líquida aumenta. Esses surfactantes podem desempenhar um papel importante na reatividade de espécies de curta duração geradas pelo plasma.

Além de mexer o fluxo de gás que afeta a superfície líquida também induz a evaporação que deve ser considerada. Usando o COST-Jet com poucos tempos de tratamento, a evaporação pode desempenhar um papel menor, embora ainda tenha que ser considerada para calcular taxas de reação corretas. A descarga do COST-Jet não é afetada pela evaporação e, portanto, a química plasmática também não é afetada. Para diferentes fontes de plasma, onde, por exemplo, o plasma está em contato direto com o líquido, a química plasmática está mudando significativamente com a evaporação, como mostrado por Tian e Kushner⁴⁵ para uma descarga de barreira dielétrica. Além disso, para o kINPen, foi determinado um efeito de evaporações⁴⁶.

Além dessas diferenças mencionadas na química plasmática que precisam ser consideradas para diferentes fontes de plasma, também a topologia do menisco induzido pelo fluxo de gás em mudanças de superfície líquida. A profundidade deste menisco é geralmente dependendo da velocidade do gás. Para fontes de plasma onde a configuração do eletrodo induz um campo elétrico significativo atingindo o líquido ou mesmo com um plasma em contato com o líquido, este menisco pode ser elevado^47,48. Como mostrado, vários efeitos precisam ser considerados de acordo com a fonte de plasma usada.

No futuro, este protocolo pode ser usado para realizar e descrever tratamentos superficiais e líquidos usando o COST-Jet. É uma fonte de plasma estável e reprodutível exibindo um caráter remoto único entre a infinidade de diferentes projetos de jatos de plasma. Os mesmos métodos não se limitam apenas à fonte COST-Jet e podem ser modificados e adaptados para uso com qualquer fonte de plasma de pressão atmosférica fria.