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Applicazioni del plasma nella ricerca e nell’industria

Il plasma è un gas
composto da particelle elettricamente cariche
e libere di muoversi, denominato
quarto stato della materia

Analogamente a quanto succede con la transizione dallo stato liquido allo stato gassoso, che si osserva all’aumento la temperatura, la transizione da gas a plasma si ottiene quando la temperatura di un gas viene portata intorno ai 10000 gradi. In queste condizioni una parte degli atomi del gas iniziano a scindersi in ioni ed elettroni, il gas passa quindi allo stato di plasma.

La principale catalogazione dei diversi tipi di plasma presenti in natura vede le due famiglie principali: i plasmi freddi e i plasmi caldi. Più che la temperatura, ciò che distingue i due tipi è la concentrazione relativa di ioni, elettroni e atomi.

Un plasma è definito caldo quando la temperatura degli ioni è uguale o vicina alla temperatura degli elettroni. Questo normalmente succede quando la totalità degli atomi viene ionizzata e il plasma è praticamente composto solo da ioni ed elettroni. Per raggiungere questo stato occorrono normalmente temperature di almeno 100000 gradi, da cui il nome di plasma caldo.

I plasmi freddi invece hanno la proprietà di avere due temperature molto diverse per ioni e elettroni. Gli ioni mantengono la stessa temperatura della frazione degli atomi di gas neutro, la temperatura dell’ambiente in cui il plasma si trova (da qualche decina a poche centinaia di gradi C). Gli elettroni invece si trovano a temperature centinaia di volte superiore, appunto intorno e oltre i 10000 gradi.

Nei plasmi freddi la maggior parte del calore viene trasmesso dalla frazione di gas neutro, mentre gli elettroni, nonostante l’elevata temperatura, trasportano una frazione di calore minima. Questo significa che sia gli elettroni che gli ioni del plasma freddo possono attivare una catena di reazioni chimiche che si avrebbero solo a temperature equivalenti a quelle degli elettroni, senza praticamente spostare la temperatura dei materiali da trattare.

Da qui deriva una varietà di applicazioni, legate al trattamento delle superfici. Si va dall’applicazione più diffusa e consolidata della realizzazione dei circuiti integrati, al deposito di sottili strati metallici, all’indurimento degli utensili, al pre-trattamento di superfici e tessuti per migliorare l’adesione di colle e coloranti, alla disinfezione di contenitori, fino al trattamento di tessuti biologici. Vengono trattati tessuti biologici sia di piante che semi e terreno ma anche tessuto umano, sfruttando le proprietà antibatteriche e antifungine, che eliminano i patogeni senza causare danni alle cellule sane.

Tuttavia ogni applicazione richiede un particolare mix di temperatura degli elettroni, della frazione ionizzata e del tipo e di pressione del gas utilizzato. Ne derivano di conseguenza le realizzazione e lo studio di specifiche sorgenti di plasma per ogni tipo di applicazione.

Tra queste innumerevoli linee di ricerca il Consorzio RFX che si occupa di studiare le proprietà specifiche dei plasmi e curare la realizzazione delle sorgenti per i seguenti settori:

  • Plasma medicine
  • Magnetron Sputtering, o Polverizzazione catodica
  • Applicazioni agrarie