Trattamento di superfici con plasma a pressione atmosferica fredda utilizzando il COST-Jet

Qui, dimostriamo l’uso di un getto di plasma a pressione atmosferica per trattamenti superficiali di diversi materiali. La configurazione sperimentale per un getto di plasma a pressione atmosferica può avere un enorme effetto sui parametri del plasma, sulla chimica e sulle prestazioni e di conseguenza influenza l’esito dei trattamenti al plasma ed è un passo critico nel protocollo.

Ad esempio, le linee di alimentazione del gas svolgono un ruolo importante per quanto riguarda l’impurità più comune nel gas di alimentazione del plasma che è l’umidità. In particolare, la produzione di specie reattive dell’azoto nel plasma è ridotta mentre la produzione di specie reattive dell’ossigeno è favorita, a causa della bassa energia di ionizzazione dell’ossigeno rispetto alle molecole d’acqua e all’azoto^35. Winter²⁴ ha scoperto che l’umidità del gas di alimentazione proveniente dalle molecole d’acqua sulla superficie della camera d’aria è di un ordine di grandezza superiore utilizzando tubi polimerici rispetto ai tubi metallici a causa della maggiore porosità e capacità di stoccaggio. Può essere ridotto lavando le linee con gas di alimentazione. Tuttavia, l’asciugatura della linea mediante lavaggio richiede un paio d’ore. Pertanto, i tubi polimerici dovrebbero essere evitati o almeno mantenuti il più corti possibile. Questi risultati sono sottolineati dagli studi di Große-Kreul²⁵. Hanno confrontato l’effetto della poliammide e dei tubi in acciaio inossidabile sulla chimica del plasma utilizzando la spettrometria di massa. Le loro misurazioni confermano la formazione di ioni a grappolo d’acqua nel plasma a causa del degassamento dell’acqua dai tubi polimerici e dei tempi di asciugatura più rapidi con i tubi metallici. Inoltre, hanno studiato l’effetto dei metodi di purificazione del gas come una trappola per setaccio molecolare e una trappola fredda di azoto liquido sulla chimica del plasma che ha contribuito a ridurre la quantità di impurità di circa due ordini di grandezza.

Invece di cercare di purificare il gas di alimentazione, c’è anche l’approccio di aggiungere una quantità controllata di umidità. Poiché questa impurità intenzionale domina sulle impurità naturali e quindi controlla la chimica del plasma, le condizioni riproducibili sono garantite purché la quantità di umidità aggiunta sia nota con precisione.

Per l’accensione della scarica, la tensione applicata agli elettrodi di solito può essere semplicemente aumentata fino al punto di rottura. Tuttavia, a seconda delle condizioni superficiali degli elettrodi, a volte è necessaria un’alta tensione. Per facilitare l’accensione, è possibile utilizzare una pistola a scintilla ad alta tensione. Questo può anche essere utile quando si tenta di accendere una scarica di argon nel COST-Jet.

Prima di applicare il COST-Jet su qualsiasi superficie, è necessario assegnare un tempo sufficiente affinché il dispositivo si equilibra. Se impostato sui parametri di controllo desiderati, il COST-Jet ha bisogno di circa 20 minuti per raggiungere condizioni stabili¹¹. Durante questo periodo, la temperatura del dispositivo, la temperatura del gas e la chimica del plasma stanno raggiungendo uno stato stazionario.

Per il confronto dei risultati scientifici, sono necessari parametri di controllo del plasma comparabili. Per misurare la potenza elettrica in ingresso, è possibile utilizzare il monitor di potenza COST²⁹. Il software è open source e compatibile con una gamma di diversi tipi di oscilloscopi. Il software funziona secondo il principio descritto da Golda¹⁹.

Oltre all’effetto dell’umidità del gas di alimentazione sulla chimica del plasma, il trasporto di specie reattive dal plasma al substrato svolge un ruolo importante nella composizione dell’effluente ed è un altro passo critico nel protocollo. L’atmosfera circostante può influenzare le specie create nel plasma nel loro percorso verso il substrato. Per ridurre al minimo questa influenza, vengono utilizzati due diversi concetti: (i) In primo luogo, è possibile creare un’atmosfera controllata costituita dal gas di alimentazione. Pertanto, la composizione dell’atmosfera circostante può essere mantenuta costante. A seconda del livello di purezza richiesto per il trattamento, l’atmosfera controllata può essere realizzata tramite alloggiamenti protettivi dotati di una valvola unizionale per prevenire la sovrapressione. Per livelli di purezza più elevati, è possibile utilizzare una camera a vuoto con una pompa. (ii) In secondo luogo, un’atmosfera controllata può essere creata utilizzando una cortina di gas schermante attorno all’effluente al plasma^36,37. Solitamente, è costituito da un gas inerte, ma può anche essere variato in base alle esigenze dell’applicazione.

Fortunatamente, per il COST-Jet, l’influenza dell’atmosfera circostante è relativamente bassa. Utilizzando l’etichettatura isotopica, Gorbanev ha dimostrato che per un getto di plasma a campo parallelo, le specie reattive di ossigeno e azoto che raggiungono una superficie liquida si sono formate nella fase gassosa del plasma e nella regione tra l’ugello del plasma e il campione^38,39. Al contrario, usando la stessa tecnica per il COST-Jet, hanno scoperto che RONS ha avuto origine quasi esclusivamente dalla fase al plasma anziché dall’ambiente circostante²⁸. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che il campo elettrico è confinato al canale del plasma della scarica COST-Jet. Questo rende la scarica di plasma in gran parte indipendente dal suo ambiente e le conferisce un certo carattere remoto.

Per un getto di plasma a campo elettrico longitudinale, Darny et al.⁴⁰ hanno dimostrato che la polarità del campo elettrico modifica il modello di flusso del gas e quindi anche sulle specie reattive che raggiungono un bersaglio a causa del vento ionico. La dipendenza della densità delle specie reattive dall’ambiente è stata confermata dalle misurazioni di Stancampiano et al.⁷. Hanno riportato la differenza del numero di specie reattive create nell’acqua trattata a seconda delle caratteristiche elettriche. Per compensare queste differenze, hanno dovuto creare un circuito elettrico di compensazione. Questo comportamento è diverso per il COST-Jet: la Figura 5 confronta le immagini Schlieren del COST-Jet senza una tensione applicata e durante il funzionamento per due diverse portate di gas. Le immagini sono state scattate utilizzando un singolo allineamento in linea a specchio come descritto da Kelly⁴¹. Mostrano come l’effluente COST-Jet allineato orizzontalmente colpisce un substrato di vetro piano. Entrambe le immagini mostrano esattamente lo stesso modello di flusso di gas. Ciò deriva dalla mancanza di vento ionico a causa dell’assenza di specie cariche nell’effluente plasmatico.

Inoltre, il COST-Jet presenta un modello di flusso molto laminare. Kelly⁴¹ ha mostrato immagini di Schlieren simili a quelle presentate in Figura 5,per varie portate di gas. Anche a portate di gas relativamente elevate di 2 slpm, l’effluente al plasma non mostra segni di turbolenza. A portate di gas molto basse di 0,25 slpm e inferiori, la galleggiabilità dell’effluente di elio inizia a svolgere un ruolo. Tuttavia, fino a 4 – 5 mm di distanza dall’ugello, l’atmosfera ambiente non influenza la composizione del gas che raggiunge la superficie come dimostrato da Ellerweg utilizzando la spettrometria di massa¹⁷.

Tutte le caratteristiche sopra menzionate si aggiungono al carattere remoto del COST-Jet. Questo lo rende un candidato ideale per il trattamento controllato e comparabile delle superfici.

Figura 5: Immagini Schlieren del COST-Jet con e senza tensione applicata per due diverse portate di gas. Durante il funzionamento al plasma, il modello di flusso del gas assomiglia esattamente al modello con solo il flusso di gas. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

A seconda dell’effetto desiderato sul campione trattato, i parametri di controllo miscela del flusso di gas, energia elettrica applicata e distanza tra sorgente di plasma e superficie possono essere regolati di conseguenza. Per il COST-Jet esiste un ampio database di letteratura di studi che indagano le specie reattive nell’effluente. Ad esempio, Willems³⁰ ha misurato la densità atomica dell’ossigeno utilizzando la spettrometria di massa, mentre Schneider⁴² ha misurato le densità di azoto atomico nell’effluente.

Il trattamento dei liquidi con plasma a pressione atmosferica può causare una varietà di possibili meccanismi di reazione guidati da specie reattive, ioni, fotoni o campi elettrici. A causa delle caratteristiche precedentemente descritte del COST-Jet, l’effetto del campo elettrico, degli ioni e dei fotoni è trascurabile rispetto alle sorgenti di plasma in cui il plasma è in contatto diretto con i liquidi. Pertanto, per studiare l’effetto di specie reattive di breve durata come l’ossigeno atomico su una soluzione fenole, il GETTO COST è stato utilizzato da Hefny⁴³ e Benedikt⁴⁴. Inoltre, il COST-Jet offre una comoda possibilità di confrontare esperimenti e simulazioni numeriche di trattamento liquido²⁸. Poiché l’interazione tra plasma e liquido è dominata dal flusso di gas delle specie reattive dal plasma alla superficie liquida, la complessità del modello può essere ridotta.

L’agitazione indotta dal flusso di gas del liquido aumenta la velocità di reazione tra le specie reattive generate dal plasma e il liquido. A differenza dei trattamenti superficiali dei solidi, la convezione del liquido cambia costantemente la concentrazione locale di reagenti. Inoltre, le velocità di reazione tra le specie generate dal plasma con i reagenti nel liquido sono anche influenzate dall’attività superficiale di questi reagenti. Con l’aumentare dell’attività superficiale, aumenta la concentrazione del reagente sulla superficie liquida. Questi tensioattivi potrebbero svolgere un ruolo importante nella reattività delle specie di breve durata generate dal plasma.

Accanto all’agitazione il flusso di gas che impaatra sulla superficie del liquido induce anche l’evaporazione che deve essere considerata. Utilizzando il COST-Jet con tempi di trattamento brevi, l’evaporazione potrebbe svolgere un ruolo minore, anche se deve ancora essere considerato per il calcolo delle corrette velocità di reazione. Lo scarico del COST-Jet non è influenzato dall’evaporazione e quindi anche la chimica del plasma non è influenzata. Per diverse fonti di plasma, dove ad esempio il plasma è in contatto diretto con il liquido, la chimica del plasma sta cambiando significativamente con l’evaporazione, come mostrato da Tian e Kushner⁴⁵ per una scarica di barriera dielettrica. Inoltre, per la kINPen, è stato determinato un effetto delle evaporazioni⁴⁶.

Oltre a queste differenze menzionate nella chimica del plasma che devono essere considerate per diverse fonti di plasma, anche la topologia del menisco indotta dal flusso di gas sui cambiamenti superficiali del liquido. La profondità di questo menisco dipende solitamente dalla velocità del gas. Per le sorgenti di plasma in cui la configurazione dell’elettrodo induce un campo elettrico significativo che raggiunge il liquido o anche con un plasma a contatto con il liquido, questo menisco può essere elevato^47,48. Come mostrato, diversi effetti devono essere considerati in base alla fonte di plasma utilizzata.

In futuro, questo protocollo può essere utilizzato per condurre e descrivere trattamenti superficiali e liquidi utilizzando il COST-Jet. È una sorgente di plasma stabile e riproducibile che mostra un carattere remoto unico tra la pletora di diversi progetti di getti di plasma. Gli stessi metodi non sono limitati alla sola sorgente COST-Jet e possono essere modificati e adattati per l’uso con qualsiasi sorgente di plasma a pressione atmosferica fredda.