ECONOMIA – Articoli

27 settembre 2017

I mille volti del plasma

I trattamenti al plasma consentono di modificare le proprietà dei materiali promuovendo o inibendo l'adesione tra di essi, proteggendoli da attacchi chimici o modificandone ad hoc la tensione e l'energia superficiale. Le possibili applicazioni abbracciano settori come l'automotive, il biomedicale, l'alimentare e la microelettronica, su materiali di tutte le tipologie.



di Daniele Carcelli

Il plasma, considerato il quarto stato di aggregazione della materia, viene prodotto per ionizzazione di un precursore gassoso a seguito di un forte aumento dell'energia; le molecole del gas sono scisse in elettroni, carichi negativamente, ioni positivi e specie radicaliche; la specie gassosa così prodotta ha carica globale neutra ma è costituita da particelle estremamente aggressive. I plasmi sono alla base di fenomeni naturali come le aurore boreali e i fulmini ma possono essere riprodotti in laboratorio e impiegati in dispositivi come le torce al plasma (plasmajet), in cui vengono accelerati da una differenza di potenziale e fatti impattare contro oggetti per modificarne le proprietà superficiali.
I materiali, anche quelli termolabili come carta, plastica e gomma, possono essere dunque esposti all'azione dei gas ionizzati in condizioni controllate; in questo modo le proprietà del bulk non vengono alterate, mentre quelle del layer superficiale possono essere opportunamente modificate e modulate.

Un'ampia gamma di materiali e processi
I trattamenti al plasma sono distinti in due categorie: a bassa pressione (realizzati in camera da vuoto) e a pressione atmosferica; questi ultimi possono impiegare come gas precursore l'aria, costituita principalmente da azoto, ossigeno, argon e CO2.
Variando il tipo di gas utilizzato come precursore e le condizioni di processo si può rivestire completamente il materiale con un film oppure innestare sulla sua superficie nuove funzionalità chimiche idonee per esempio ad aumentare la bagnabilità o l'acidità superficiale; gruppi ossidrilici, amminici, carbossilici e fluoruri sono le funzionalità più comunemente introdotte attraverso il processo di grafting.
Le superfici possono essere invece sottoposte a un processo di etching a secco quando il gas precursore è una specie chimica che reagisce con le molecole superficiali attraverso reazioni radicaliche, creando composti volatili che evaporano dopo il processo di ablazione del substrato; questa tecnica è comunemente impiegata per la pulizia attraverso frammentazione molecolare dalle specie contaminanti.
PE, PP e POM sono materiali considerati inadesibili allo stato pristino per la loro bassa energia superficiale, ma possono venire attivati attraverso un trattamento con plasma di ossigeno; il PTFE è caratterizzato da un'energia superficiale ancora inferiore e i legami superficiali fluoro-carbonio sono troppo forti per essere distrutti da tale trattamento, per questo si utilizza plasma a idrogeno, i cui radicali reagiscono con gli atomi superficiali di fluoro generando fluoruro di idrogeno (che viene rimosso) e spezzano i legami C-F instaurando tra gli atomi di carbonio legami insaturi che possono reagire a loro volta con specie chimiche polari.
In settori come quello della plastica e della gomma, dei metalli, delle polveri e della microelettronica, le possibili applicazioni dei trattamenti plasmochimici sono pressoché infinite; si può ad esempio migliorare l'adesione, l'incollabilità e la verniciabilità delle superfici dei polimeri e alcuni materiali possono essere resi inadesibili.
Plastica, gomma e metallo possono essere ricoperti con uno strato (plasma shield) con effetto barriera che li preserva contro l'attacco di sostanze chimiche; si possono ad esempio trattare i polimeri rendendoli resistenti ai solventi.

PECVD e PVD
La plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) è un processo di deposizione di film sottili prodotti a partire da un sistema in fase gassosa che solidifica su un substrato. Il processo coinvolge reazioni chimiche che avvengono a seguito della generazione di un plasma dai gas di reazione nello spazio compreso tra due elettrodi a seguito di una scarica elettrica; i cationi, gli elettroni e i radicali del plasma collidono contro le molecole dei reagenti promuovendo reazioni chimiche a catena. Questa tecnologia consente di rivestire con film sottili substrati di ogni genere controllandone con precisione la struttura attraverso le condizioni di processo.
La PECVD è una tecnica molto versatile che permette di ottenere una vasta gamma di film di diversa composizione e morfologia; per esempio è possibile ottenere nanolayer biocompatibili con funzionalità acide da precursori come l'acido acrilico e metacrilico, funzionalità ossidriliche dall'isopropanolo, aldeidiche dall'acetaldeide e dalla capronaldeide, amminiche dall'eptilammina e possono essere riprodotti sottili strati di fluoropolimero impiegando i fluorocarburi o di silice attraverso i silossani. Le specie chimiche più comunemente utilizzate come gas di processo sono Ar, N2, CO2 O2 ed NH3. Questa nanotecnologia è importantissima nell'industria dei circuiti integrati, poiché consente la deposizione di strati di composti del silicio come ossidi e nitruri a partire da precursori quali silani, clorosilani, e tetraossisilani con un'ottima riproducibilità e affidabilità. I layer così deposti sono ottimi isolanti elettrici e passivanti superficiali.
Monomeri allo stato gassoso possono essere sottoposti all'azione del plasma per poi polimerizzare sulla superficie del materiale da trattare ricoprendolo con un nanorivestimento; il meccanismo di reazione è complesso e coinvolge polimerizzazione cationica, anionica e radicalica, con frammentazione e poliricombinazione del monomero. I layer prodotti con questa tecnica presentano una particolare morfologia perché, a causa delle reazioni a catena innescate dal plasma, sono reticolati in modo estremamente disordinato e statistico.
Anche questo processo viene impiegato nell'industria dei semiconduttori per la protezione dall'invecchiamento e dalla corrosione dei componenti elettronici attraverso creazione di nanolayer di PEO e teflon.
La physical vapor deposition (PVD) consente infine la deposizione di film sottili in vuoto sfruttando precursori solidi che passano in fase fase aeriforme e successivamente tornano allo stato solido sul substrato; nel processo chiamato sputtering il materiale da depositare viene eroso mentre si trova allo stato solido da un plasma.

In presenza di acqua
Le superfici possono essere rese superidrofobe o superidrofile attraverso la funzionalizzazione chimica e la riproduzione di particolari texture che modificano l'energia e la tensione superficiale del materiale; è possibile ad esempio riprodurre l'effetto naturale delle foglie di loto, che sono superidrofobe per la propria natura chimica e per la micromorfologia superficiale (questa applicazione è stata studiata nell'edilizia per il rivestimento delle facciate degli edifici).
La creazione di superfici superidrofile sulle quali l'acqua non scivola via ma aderisce formando un film perfettamente continuo e trasparente può invece evitare l'effetto opacizzante dovuto all'appannamento e alla formazione di microgocce; questo genere di funzionalizzazione viene impiegata per la fabbricazione di lenti a contatto a base siliconica.

Imballi e tessuti con effetto barriera
In campo alimentare è possibile produrre packaging a base polimerica impermeabilizzati con coating spessi pochi nanometri che evitano l'ingresso dell'ossigeno e l'uscita degli aromi degli alimenti dall'imballo, aumentando così la shelf-life dei generi alimentari.
La nanotecnologia basata sull'impiego del plasma è caratterizzata da un impatto ambientale molto basso perché sfrutta processi a secco, senza impiegare alcun solvente ma soltanto piccole quantità di gas; è inoltre pulita e sterile per sua natura, poiché il trattamento al plasma produce emissione di raggi UV che sterilizzano i campioni. È possibile funzionalizzare la superficie dei materiali con molecole che ne aumentano la biocompatibilità; in questo modo possono essere prodotti tessuti medicali usa e getta emorepellenti o in grado di bloccare la penetrazione batterica.
I trattamenti al plasma sui tessuti possono renderli antimacchia, idrorepellenti o oliorepellenti, antibatterici e resistenti alla fiamma; il processo preserva le proprietà del tessuto pristino al tatto, risultando impercettibile; in questo modo il comfort del materiale non viene minimamente alterato.

Materiali