1. ¿Qué es el plasma?
El plasma, el cuarto estado de la materia, es una sustancia gaseosa ionizada compuesta de átomos a los que se les han quitado algunos electrones y se generan iones positivos y negativos después de la ionización de los átomos. Este gas ionizado está formado por átomos, moléculas, grupos atómicos, iones y electrones. Su aplicación sobre la superficie de objetos puede lograr una limpieza ultralimpia, activación de superficie, grabado y recubrimiento de superficie de plasma de objetos.
2. ¿Cómo obtener plasma artificialmente?
El plasma se puede generar mediante medios artificiales como la fusión nuclear, la fisión nuclear, la descarga luminiscente y varios tipos de descargas. También se pueden producir diferentes tipos de plasma mediante métodos de descarga artificial, que incluyen principalmente: incandescencia (lámparas fluorescentes), arco (arco eléctrico) y descarga en corona (que a menudo se observa alrededor de líneas de alto voltaje). Para la limpieza, activación y modificación de superficies de precisión, así como para el procesamiento de superficies de materiales, plásticos y papel de bioingeniería, se utiliza principalmente plasma de baja temperatura generado por descarga luminiscente, descarga en corona y descarga de barrera dieléctrica.
En un campo eléctrico de alta frecuencia, las moléculas de gas como oxígeno, nitrógeno, metano y vapor de agua a baja presión pueden descomponerse en átomos y moléculas acelerados durante la descarga luminiscente. Los electrones generados de esta manera y los átomos y moléculas disociados en cargas positivas y negativas chocan con las moléculas o átomos circundantes, lo que resulta en la excitación de electrones en las moléculas y átomos, que a su vez se encuentran en un estado excitado o iónico. En este punto, el estado de la materia es plasma.
3. ¿Qué tipos de plasma existen?
1) Plasma de alta temperatura y plasma de baja temperatura. El plasma de alta temperatura se refiere a plasma completamente ionizado o localmente equilibrado térmicamente donde la temperatura de los electrones es exactamente igual a las temperaturas de los iones y los gases. Las temperaturas de todas las partículas son casi idénticas. La temperatura es extremadamente alta, alcanzando típicamente 10 6−10 8 K (aproximadamente 100-100 millones de grados Celsius). El plasma de baja temperatura se encuentra en un estado de equilibrio no térmico, donde la temperatura de los electrones es mucho más alta que las temperaturas de los iones y las partículas neutras. Debido a la excesiva intensidad del efecto del plasma de alta temperatura en la superficie de los objetos, rara vez se utiliza en aplicaciones prácticas y actualmente sólo se utiliza plasma de baja temperatura.
2) Plasma de gases reactivos y no reactivos. Esta clasificación se basa en las propiedades químicas de los gases utilizados para generar plasma. Los gases no reactivos incluyen argón (Ar), nitrógeno (N2), fluoruro de nitrógeno (NF3), tetrafluoruro de carbono (CF4), etc., mientras que los gases reactivos incluyen oxígeno (O2), hidrógeno (H2), etc. Los mecanismos de reacción de diferentes tipos de gases durante el proceso de limpieza son diferentes, y el plasma de gases reactivos muestra una reactividad química más fuerte.
4. ¿Cuáles son las interacciones entre el plasma y la superficie del objeto?
La reacción química entre el plasma y la superficie de una pieza de trabajo es bastante diferente de las reacciones químicas convencionales. Debido al bombardeo de electrones de alta velocidad, muchos gases o vapores que son estables a temperatura ambiente pueden reaccionar con la superficie de la pieza de trabajo en forma de plasma, produciendo muchos efectos únicos y útiles:
1) Limpieza y grabado: por ejemplo, durante la limpieza, a menudo se utiliza oxígeno como gas de trabajo. Cuando es bombardeado por electrones acelerados, se convierte en iones de oxígeno y radicales libres, que exhiben fuertes propiedades oxidantes. Los contaminantes de la superficie de la pieza de trabajo, como grasa, fundente, fotorresistente, agente desmoldante y aceite para punzones, se oxidan rápidamente y se convierten en dióxido de carbono y agua, que luego son bombeados mediante una bomba de vacío, logrando el objetivo de limpiar la superficie y mejorar la humectabilidad y la adhesión. El tratamiento con plasma a baja temperatura solo afecta la superficie poco profunda (<10 nm) del material y no afecta las propiedades del material a granel. Debido a que la limpieza con plasma se realiza bajo alto vacío, los diversos iones activos en el plasma tienen un camino libre medio largo y sus capacidades de penetración y permeación son fuertes, lo que permite el tratamiento de estructuras complejas, incluidos tubos finos y agujeros ciegos.
2) Introducción de grupos funcionales: el tratamiento con plasma de materiales poliméricos con gases como N2, NH3, O2 y SO2 puede alterar la composición química de la superficie e introducir nuevos grupos funcionales correspondientes: -NH2, -OH, -COOH, -SO3H, etc. Estos grupos funcionales pueden transformar sustratos completamente inertes como polietileno, polipropileno, poliestireno y politetrafluoroetileno en materiales funcionalizados, mejorando la polaridad de la superficie, la humectabilidad, la capacidad de unión, la reactividad y aumentando considerablemente su valor de uso. A diferencia del plasma de oxígeno, el tratamiento con plasma a baja temperatura con gases que contienen flúor puede introducir átomos de flúor en la superficie del sustrato, impartiendo hidrofobicidad al sustrato.
3) Polimerización: muchos monómeros vinílicos, como el etileno y el estireno, pueden polimerizarse en la superficie de las piezas de trabajo en condiciones de plasma sin necesidad de otros catalizadores o iniciadores. Incluso sustancias que no pueden polimerizarse en condiciones convencionales, como el metano, el etano y el benceno, pueden sufrir una polimerización reticulante en la superficie de las piezas de trabajo en condiciones de plasma. Esta capa polimerizada puede ser muy densa y estar fuertemente unida al sustrato. En países extranjeros, las botellas de cerveza de plástico y los tanques de combustible de los automóviles se recubren con una capa tan densa mediante polimerización por plasma para evitar microfugas. La superficie de los materiales poliméricos biomédicos también se puede recubrir con esta capa densa para evitar la difusión de sustancias tóxicas, como los plastificantes, del plástico a los tejidos humanos. Los componentes ópticos a menudo pueden recubrirse con una película óptica adecuada en su superficie mediante medidas de polimerización por plasma, para mejorar el rendimiento de los componentes ópticos.
4) Injerto inducido por plasma:
El proceso implica generar radicales libres activos en la superficie de materiales poliméricos mediante un pretratamiento con plasma, que desencadena la polimerización de monómeros vinílicos en la superficie del material. El plasma también puede inducir reacciones de injerto en determinadas superficies irregulares, como las paredes internas de las botellas. Seleccionando monómeros de injerto apropiados y controlando las condiciones de reacción de injerto apropiadas, se pueden alterar la hidrofilicidad o repelencia al agua, la adhesión, la resistencia a la corrosión, la resistencia al desgaste, la conductividad, la selectividad de la permeabilidad y la biocompatibilidad del material. Por tanto, el injerto de plasma es muy innovador y tiene grandes perspectivas de aplicación.
