Tecnologia

Progettiamo materiali innovativi con una chimica pulita

I plasmi freddi a bassa pressione forniscono un valido strumento per modificare la composizione superficiale e la topografia di un materiale senza alterazione delle sue proprietà di massa.I processi al plasma sono già ampiamente diffusi in diversi settori industriali, tra cui semiconduttori, microelettronica, imballaggio alimentare e farmaceutico, automobilistico, protezione dalla corrosione e biomateriali.

Il Plasma

Oggi la Tecnologia del Plasma a bassa pressione si offre come valida alternativa ai processi convenzionali di modificazione superficiale per via umida, con vari vantaggi dovuti alla sua eco-sostenibilità. La chimica del Plasma infatti è una chimica a secco, che utilizza piccole quantità di reagenti e lavora in assenza di solventi.
Si basa sul principio fisico secondo cui fornendo energia alla materia questa cambia il suo stato di aggregazione: un solido diventa liquido, un liquido passa allo stato gassoso. Se si somministra ulteriore energia ad un gas, quest’ultimo ionizza e si trasforma in Plasma.
Il Plasma è dunque un gas ionizzato ricco di specie altamente reattive in grado di interagire con gli strati superficiali dei materiali ad esso esposti, modificandoli. La modificazione superficiale che ne deriva può essere regolata attraverso il fine controllo dei parametri sperimentali di processo e la scelta dei gas di partenza.
rattasi di una vera e propria ingegneria chimica di superficie tesa a costruire strutture dello spessore di alcuni nanometri, appositamente progettate per rispondere in maniera specifica alle applicazioni più disparate, si parla infatti di “surface tailoring”. 

Cosa succede a un materiale esposto al plasma?


Quando mettiamo un materiale in un reattore plasmochimico le sue superfici vengono esposte al plasma e si ritrovano ad interagire con le specie reattive generate in fase gassosa (atomi, ioni, radicali). In questo modo è possibile sintetizzare nuove interfacce stabili, dal momento che si creano dei veri e propri legami covalenti tra le specie attive del plasma e la superficie del materiale.
La modificazione superficiale può essere regolata finemente attraverso la regolazione ed il controllo dei parametri sperimentali di processo quali potenza in ingresso, la frequenza di modulazione del campo elettrico applicato, la natura, portata e pressione del gas di alimentazione, la temperatura, il potenziale di polarizzazione e la posizione del substrato, etc.
Per mezzo della tecnologia al plasma è possibile sintetizzare superfici nuove su materiali convenzionali anche termolabili, come polimeri, carta, cuoio, tessuti, senza produrne alcuna degradazione ma ottenendo una composizione chimica superficiale diversa, con nuove proprietà a volte impensabili rispetto ai materiali di partenza.
L’effetto dell’esposizione al plasma è limitato alla zona di contatto con il materiale, ad una profondità dell’ordine di una decina di nanometri, le proprietà massive dunque non vengono assolutamente modificate.

Possono essere definite tre principali classi di processi plasmochimici:Etching (ablazione) e pulizia del materiale;Deposizione di film sottili (Plasma Enhanced Chemical Deposition -PECVD);Attivazione ed innesto (grafting) di gruppi chimici sulla superficie del substrato.

Etching

  • Etching via  plasma: ablazione del materiale attraverso la formazione di prodotti volatili in seguito all’interazione tra il materiale e le specie attive prodotte nel plasma. Questa classe di processi è comunemente utilizzata in microelettronica, per la progettazione di circuiti integrati ad elevata risoluzione spaziale, mediante l'attacco chimico anisotropo su silicio. Inoltre, questi processi sono alla base delle tecnologie di pulizia o sterilizzazione (cleaning).

Attivazione

  • Attivazione, ossia innesto di gruppi funzionali sulla superficie dei materiali con trascurabile aggiunta o sottrazione di materia. L’innesto di gruppi funzionali può essere anche associato ad un certo grado di reticolazione della superficie trattata. I trattamenti al plasma sono generalmente utilizzati per impartire nuove proprietà superficiali stabili nel tempo a polimeri, carta, tessuti e altri materiali. È possibile ottenere superfici idrofobe da superfici idrofile (e viceversa), è possibile migliorare la stampabilità, la tintura, la metallizzazione, la bagnabilità, etc.

PECVD

  • Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PE-CVD): deposizione di film sottili organici ed inorganici (5-1000 nm). I processi PE-CVD rappresentano la più ampia classe di processi al plasma. Con i processi PECVD è possibile depositare, sulla superficie dei materiali, differenti tipi di rivestimenti dal teflon-like al silica-like, dai nano-compositi all’ idrogel-like, dal superidrofobo al superidrofilo. Si può anche regolare al meglio la stabilità del rivestimento, materiale di interfaccia, esigenza di fondamentale importanza in alcune applicazioni come per esempio nella protezione contro la corrosione o nella funzionalizzazione di polimeri biomedicali.