Tokyo, Japon – Des scientifiques de l’Université métropolitaine de Tokyo ont trouvé un moyen de rendre le plasma plus efficace pour ses nombreux usages, allant des applications antimicrobiennes au traitement de surface dans l’industrie des semi-conducteurs. Ils ont cartographié la production d’oxygène atomique, un ingrédient clé du plasma d’oxygène, lorsqu’une haute tension est appliquée à travers du gaz oxygène. Ils ont découvert que la quantité d’oxygène atomique disponible pour les réactions était boostée à des pressions modérément inférieures aux conditions atmosphériques. Leurs résultats promettent des technologies plasma plus économes en énergie et plus performantes.
Le plasma est souvent appelé le quatrième état de la matière, aux côtés des états gazeux, liquide et solide. Composé d’atomes chargés et d’électrons, il représenterait, selon certaines estimations, 99,9 % de toute la matière de l’univers. Bien que rarement observé sur Terre en dehors des orages, le plasma artificiel peut être généré en appliquant de hautes tensions électriques à travers des gaz, produisant ce que l’on appelle des plasmas non thermiques. Dans ce cas, seuls les électrons d’un matériau sont portés à haute température, laissant les atomes dans un état « radical » hautement réactif.
Les plasmas non thermiques sont largement utilisés pour éliminer les micro-organismes, modifier chimiquement des matériaux et décomposer les contaminants ; des moyens de les rendre plus efficaces auraient un impact majeur sur l’industrie et la société. Le plasma d’oxygène est particulièrement apprécié pour le puissant pouvoir oxydant de l’oxygène atomique, l’espèce radicalaire clé générée lors de la décomposition du gaz oxygène. Malgré son usage répandu, un défi majeur demeure la courte durée de vie du plasma à pression atmosphérique ; les collisions fréquentes avec les molécules de gaz font que moins de radicaux d’oxygène réagissent avec la cible visée.
Une équipe dirigée par le professeur agrégé Yusuke Nakagawa de l’Université métropolitaine de Tokyo a démontré comment la réduction de pression permet de rendre les traitements au plasma d’oxygène plus efficaces. Ils ont étudié des décharges électriques pulsées à travers du gaz oxygène à des pressions légèrement inférieures aux conditions atmosphériques. En utilisant des lasers pour faire fluorescer l’oxygène atomique à une longueur d’onde lumineuse spécifique, ils ont pu cartographier la quantité d’oxygène atomique produite à différents endroits autour des électrodes positive et négative situées de part et d’autre de l’espace. Si la durée de vie des radicaux était prolongée par la pression réduite, l’équipe a découvert que la quantité de radicaux demeurait à un niveau comparable à celui observé à pression atmosphérique, contrairement aux attentes. Une analyse plus approfondie a montré que cela conduisait à plusieurs fois plus de radicaux disponibles pour des réactions avec une cible. Leurs observations ont également révélé que l’oxygène atomique n’était pas produit exclusivement dans les parties du plasma présentant une lueur visible, mais dans des zones sombres proches des électrodes. Cela signifie que des électrons d’énergie modérée participent également à la production de radicaux, ce qui aide à expliquer pourquoi davantage de radicaux sont disponibles à une pression modérément réduite, tout en éclairant un nouveau mécanisme de formation des radicaux.
Les conclusions de l’équipe mettent en évidence une méthode pratique pour rendre les traitements au plasma d’oxygène plus efficaces, une innovation majeure pour des industries allant des secteurs biomédicaux et de l’agriculture à la fabrication de semi-conducteurs.
Article : Spatiotemporal behavior and yield enhancement of atomic oxygen in pure O2 pulsed barrier discharge at sub-atmospheric pressure – DOI : Lien vers l’étude
Source : TMU
