مواد و ساخت پیشرفته

تیمار پلاسمایی امکان اصلاح سطح مواد را برای بهبود چسبندگی، تمیزی و عملکرد در صنایع مختلف فراهم می‌کند. بسیاری از مواد، به‌ویژه پلیمرها، نقش حیاتی در صنایع مختلف دارند اما اغلب برای استفاده در کاربردهای مدرن نیاز به تیمار سطح دارند. تیمار پلاسمایی یک تکنیک شناخته شده است که برای طیف وسیعی از مواد به کار می‌رود. با استفاده از گازهای یونیزه شده به شکل پلاسما، این روش امکان اصلاح سطح را برای پاسخگویی به نیازهای خاص فراهم می‌کند.

اصول تیمار پلاسمایی
پلاسما، چهارمین حالت ماده، با اعمال انرژی الکتریکی به گاز ایجاد می‌شود که منجر به تشکیل یون‌ها می‌گردد. هنگامیکه یک منبع انرژی مانند انرژی الکتریکی یا امواج رادیویی، انرژی را به مولکول‌های گاز منتقل می‌کند، الکترون‌ها انرژی کسب کرده و آزاد می‌شوند که منجر به تشکیل یون‌های مثبت در گاز می‌شود. این الکترون‌ها و یون‌ها انرژی کافی دارند تا با برخورد با اتم‌های بی‌بار، یونیزاسیون بیشتری ایجاد کنند. روش دیگر برای تولید پلاسما شامل فشرده‌سازی آدیاباتیک گاز است که باعث تولید انرژی حرارتی شدید و یونیزه شدن می‌شود. ذرات یونیزه شده در پلاسما برای تکنیک‌های تیمار سطح در کاربردهای مدرن بسیار حیاتی هستند.

انواع مختلف پلاسما
دو نوع اصلی سیستم پلاسما صنعتی شامل پلاسمای اتمسفری و پلاسما با فشار پایین هستند. برای اصلاح سطح با استفاده از پلاسما با فشار پایین، از یک اتاقک خلاء استفاده می‌شود که گاز اندک یونیزه شده در آن قرار دارد و ماده برای تیمار داخل اتاقک قرار می‌گیرد. پمپ‌های تخصصی فشار مناسب را حفظ می‌کنند و اجازه می‌دهند که گاز فرآیندی وارد شود که پلاسما را برای تیمار سطح ایجاد کند. در طول فرآیند، اتاقک گاز را برای حفظ فشار مطلوب تجدید می‌کند.

در مقابل، سیستم‌های پلاسما جوّی مستقیماً سطح ماده را در معرض گاز اندک یونیزه شده قرار می‌دهند. هنگامیکه گاز به پلاسما تبدیل می‌شود، قوس پلاسما تولید می‌کند که سپس برای تیمار سطح ماده استفاده می‌شود. در حالیکه این روش ساده‌تر از سیستم‌های پلاسما با فشار پایین به نظر می‌رسد، تیمار پلاسمایی اتمسفری بسیار مؤثر و به راحتی قابل ادغام و به طور گسترده در صنایع هوافضا و دفاعی استفاده می‌شود.

کاربردهای تیمار پلاسمایی
تمیزی سطح
تیمار پلاسمایی یک روش بسیار مؤثر برای تمیزی سطح است که آلودگی‌هایی مانند باقیمانده‌های آلی را از بین می‌برد. برای کاربردهای تمیزکاری در الکترونیک میکرو و بیومواد، تمیزکاری با پلاسما تخلیه درخشان یک تکنیک شناخته شده است که بیش از یک قرن برای استریل کردن ایمپلنت‌های زیستی استفاده شده است. تمیزکاری با پلاسما همچنین برای ضدعفونی مؤثر است و پاتوژن‌ها و آلودگی‌ها را در سطح میکروسکوپی از بین می‌برد. پلاسما واکنش‌پذیر برای تمیزکاری سطح استفاده می‌شود، که تعامل‌های شیمیایی با سطح ماده را برای از بین بردن میکروارگانیسم‌ها و گرد و غبار ممکن می‌سازد.

بهبود چسبندگی
تکنیک‌های تیمار پلاسمایی به طور گسترده‌ای برای بهبود ویژگی‌های چسبندگی استفاده می‌شوند. مواد مانند پلیمرها اغلب دارای انرژی سطحی پایین و لایه‌های آلودگی هستند که می‌تواند مانع چسبندگی و پیوند شود. تیمار پلاسمایی اتمسفری به ویژه نشان داده است که می‌تواند چسبندگی پلیمرها را به طور قابل توجهی افزایش دهد (گاهی تا ده برابر). تیمار پلاسمایی سرد همچنین برای اصلاح سطوح چوب، بهبود چسبندگی چسب‌ها و تسهیل رسوب لایه‌های نازک پلیمری بر روی سطوح فلزی استفاده می‌شود. ذرات یونیزه شده در پلاسما انرژی کافی برای شکستن پیوندهای شیمیایی بر سطح ماده را فراهم می‌کنند که سپس با ذرات گاز تعامل کرده و لایه‌های سطحی را تغییر می‌دهند.

تیمار پلاسمایی برای عملکردی کردن مواد
تیمار پلاسمایی‌ها همچنین برای اعمال ویژگی‌های خاص به مواد برای کاربردهای مختلف استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، پلاسما اکسیژن می‌تواند برای بهبود خاصیت هیدروفیلیتی در نانوبرگ‌های کربن-نیتروژن (C3N4) با معرفی گروه‌های هیدروکسیل‌آمین (N-OH) به سطح آن‌ها استفاده شود. این توانایی باعث می‌شود که تیمار پلاسمایی به ویژه در زمینه‌هایی مانند سیستم‌های تحویل دارو و صنعت نساجی که کارایی بالای مواد برای کاربردهای خاص مورد نیاز است، ارزشمند باشد.

تیمار پلاسمایی برای پوشش‌ها و رسوبات نازک
رسوب‌گذاری بخار شیمیایی پلاسما-تقویت شده (PECVD) در طول سی سال گذشته به طور گسترده‌ای برای رسوب لایه‌های نوری شفاف و فیلم‌ها استفاده شده است. تیمار پلاسمایی برای رسوب‌گذاری پوشش‌های نانوکامپوزیت نوری، با کاربردهایی در زمینه‌هایی مانند هدایت‌گرهای نوری به کار می‌رود. تیمار پلاسمایی نه تنها سطوح را برای رسوب‌گذاری مؤثر فیلم آماده می‌کند، بلکه ویژگی‌های عملکردی مانند پایداری حرارتی را نیز به آن‌ها می‌بخشد.

پیشرفت‌های اخیر در کاربردهای فناوری پلاسما
فناوری پلاسما اخیراً کاربردهایی در صنعت غذا پیدا کرده است، به ویژه در فرآوری پلاسما سرد برای نگهداری مواد غذایی و افزایش عمر مفید. در حالیکه در ابتدا برای نابودی میکروب‌ها و غیرفعال‌سازی آنزیم‌ها استفاده می‌شد، تحقیقات اخیر نشان می‌دهند که تیمار پلاسمایی سرد می‌تواند اثرات منفی فرآیند حرارتی را کاهش دهد، به ویژه در پروتئین‌هایی که در دماهای بالا به دناتوره می‌روند. تعامل تیمار پلاسمایی سرد و گونه‌های واکنش‌پذیر آن با ساختارهای آمینواسیدی تغییرات عملکردی در مولکول‌های پروتئین ایجاد می‌کند که می‌تواند کاربردهای آن‌ها را به زمینه‌هایی مانند چاپ سه‌بعدی گسترش دهد.

در نتیجه، تیمار پلاسمایی برای ایجاد ویژگی‌های مطلوب در کاربردهای صنعتی ضروری است. صنایع نساجی، خودروسازی و الکترونیک به تیمار پلاسمایی برای عملکردی کردن مواد و بهبود چسبندگی وابسته هستند. با توجه به تأکید اخیر بر پایداری و پردازش دقیق و سازگار با محیط زیست تیمار پلاسمایی، بازار فناوری پلاسما احتمالاً در سال‌های آینده به طور قابل توجهی رشد خواهد کرد.