Onderzoeksproject P7/34 (Onderzoeksactie P7)
Domein:
De fysicochemie van plasma’s – de vierde aggregatietoestand – is een domein dat aan belang wint en dat zowel fundamentele als industriële uitdagingen kent. Sterk reactieve deeltjes, gevormd in het plasma, hebben inderdaad toepassing gevonden in oppervlaktebehandelingen, materiaalsynthese en/of “processing”, milieu- en biomedische toepassingsdomeinen. Hoewel reeds vele industriële toepassingen op grote schaal ontwikkeld werden, ontbreekt het nog aan een grondig inzicht in de actuele mechanismen in het bulk plasma alsook in de grenslaag met oppervlakken. Het is daarom de rol van de universitaire groepen om deze mechanismen te bestuderen en beter te begrijpen.
Momenteel hebben de verschillende disciplines die betrokken zijn bij plasma-onderzoek een status bereikt waaruit blijkt dat vele fundamentele eigenschappen dezelfde zijn. Een geïntegreerde multidisciplinaire aanpak is dus nodig om kruisbestuiving te bewerkstellingen en om vooruitgang te maken.
Zulk een dynamiek, zoals hierboven beschreven, is op Belgisch niveau geïnitieerd gedurende de 6e fase van het IUAP programma. Wij stellen nu voor om verder in te spelen op de belangrijkste uitkomsten van deze 6e fase.
Doelstellingen:
Het huidige project heeft als doel om de Belgische groepen die onderzoek doen naar reactieve plasma’s te verenigen, om zo ons fundamenteel inzicht in deze systemen te verbeteren en voorspellende modellen te ontwikkelen. De output van dit project, dat zowel experimentele als theoretische activiteiten omvat, zal vermoedelijk technologische ontwikkelingen in het domein van nieuwe materialen, nieuwe oppervlakken of nieuwe coating processen verder sturen, en daarom de economische ontwikkelingen in ons land ondersteunen. We ontwikkelen een multidisciplinaire en geïntegreerde aanpak, waarbij we de expertise van onderzoeksgroepen combineren die gespecialiseerd zijn in plasmadiagnostiek (optische, elektrische probe, laser geïnduceerde fluorescentie en massaspectrometrie technieken), in de de fundamentele studie van geïoniseerde gassen en hun hydrodynamica, in bulk plasma en plasma-oppervlak interactie modellering (moleculaire dynamica, Monte Carlo), en in (organische en anorganische) materiaalsynthese, functionalisatie en karakterisatie door middel van “state-of-the-art” methoden.
Tijdens de 6e fase van het IUAP programma hebben we een dynamiek geïnitieerd, gebaseerd op een globale benadering van plasma’s. Nu willen we inspelen op de belangrijkse output van de voorbije vijf jaar: (1) ontwikkelling van karakterizatietechnieken van plasma’s (boog, HiPIMS, RF, glimontlading, DBD,...), (2) het bouwen van modellen voor hoge en lage druk plasma’s, (3) het ontwikkelen van een kinetische Monte Carlo code voor de nucleatie en groei van anorganische films, (4) TiO2 synthese via verschillende excitatiebronnen, (5)opstellen van een globaal energie/kristallijn fasediagramma, en (5) depositie van verschillende polymeren (polystyreen, polyethyleenglycol,...) en copolymeren. In navolging van de aanbevelingen van de experts stellen we voor om (1) het netwerk te bestendigen met nieuwe partners, gespecialiseerd in plasma-materiaal interactiechemie (waardoor het onderzoek en de modelleermogelijkheden worden uitgebreid), (2) een activiteit in “plasmakatalyse” in te voeren, waarvoor internationaal een groeiende interesse bestaat, en (3) de zoekruimte te selecteren die een combinatie van de expertise van de verschillende consortiumpartners omvat. We wensen dus een grotere kennis op te bouwen op basis van de resultaten verkregen tijdens de eerste vijf jaar, en meer complexe systemen te begrijpen in het domein van de plasma-oppervlak interacties. De toegenomen complexiteit situeert zich in de samenstelling (d.w.z. gemengde oxiden), de structuur (poreuze materialen), en de impact van de vaste fase op de gasfase (plasmakatalyse). Bovendien zal speciale aandacht besteed worden aan de opleiding van jonge wetenschappers en de overdracht van kennis via de organisatie van een virtuele doctoraatsschool, speciale workshops en internationale evenementen.
Methodologie:
Gebaseerd op de ervaringen van de verschillende partners, de ervaring opgebouwd tijdens de 6e fase van het IUAP programma, en een zorgvuldige analyse van het huidige internationale onderzoek stellen we voor om het project te structureren rond de types interacties die plaatsvinden tussen het plasma en een vast oppervlak. Het onderscheid tussen de interacties is vooral zichtbaar in het experimentele gedeelte. Niettemin zullen gelijkaardige karakterizatietechnieken gebruikt worden voor het plasma en de oppervlakken in de drie experimentele werkpaketten.
Werkpaketten I en III zullen zich richten op de interactie van plasma met een anorganisch materiaal. In WP I zal de impact van de gasfase samenstelling en van de deeltjesenergie op groeiende oxidefilms behandeld worden. Metaaloxide componenten, nl. TiO2 en ZrO2, zullen als standaard systemen genomen worden. Het hoofdidee in WP I is, gebaseerd op wat we geleerd hebben in het vorige IUAP programma, om de verschillende energetische bijdragen tijdens filmgroei te ontrafelen. Er zullen daarom specifieke experimenten worden uitgedacht. Om dit werk te ondersteunen zal sterke plasmadiagnostiek worden uitgevoerd door “state-of-the-art” technieken te gebruiken, zoals laser-geïnduceerde fluorescentie, tijdsgeresolveerde massaspectrometrie,... Er zal een draagbare magnetron sputtering en boog reactor geïmplementeerd worden zodat de diagnostische faciliteiten van de verschillende partners kunnen aangewend worden. De combinatie van deze gegevens met de eigenschappen van de dunne filmen zal aanzienlijk bijdragen tot een beter begrip van de sleutelmechanismen die de materiaal chemische en kristallijne eigenschappen bepalen. WP III zal de impact van de vaste fase (katalysator) op de samenstelling in de gasfase en op de ontlading zelf bestuderen. Er zal specifiek bestudeerd worden hoe de interacties tussen de katalysator en de ontlading de selectiviteit en specificiteit van de chemische reacties in de gasfase en de afbraak van moleculen (CO2, CH4) kan beïnvloeden.
Werkpaket II is gericht op een experimentele studie van de interactie tussen plasma en organische oppervlakken. Twee topics zullen in WP II ontwikkeld worden, in nauwe samenwerking met de modelleergroepen: de groei van plasmapolymeer films en de functionalisatie van de polymeer oppervlakken. De gezamenlijke experimentele strategie is, naast een sterke plasma diagnostische activiteit, om in situ de mechanismen die plaatsvinden in de plasma-oppervlakte zone te bestuderen. Identificatie en kwantificatie van de oppervlakteradicalen zal in situ uitgevoerd worden, en een specifieke “tool” (IRRAS) zal door het netwerk aangekocht worden om in “real time” en in situ de oppervlaktechemie te bestuderen. De systemen die in de experimentele werkpaketten zullen bestudeerd worden, zijn modelsystemen met een beperkt aantal reactants. Op deze manier is het mogelijk om ze volledig te karakterizeren en de link met de numerieke simulaties te maken.
Werkpaketten IV en V zijn gericht op het modelleren van de processen die plaatsvinden respectievelijk in het bulk plasma en aan het oppervlak. Deze twee werkpaketten zijn sterk afhankelijk van elkaar en er zal een inspanning worden gedaan om ze te integreren via de ontwikkeling van een platform die de uitwisseling van data tussen de verschillende codes mogelijk maakt. De plasma bulk modellering zal hoofdzakelijk uitgevoerd worden met de PLASIMO code, ontwikkeld aan de TU/e, alsook door codes beschikbaar aan de UA voor modelleren van de plasmachemie. De winst en het verlies van plasmadeeltjes, alsook recombinatie, impact ionizatie, ion-atoom uitwisseling en ladingsuitwisseling zullen in rekening worden gebracht. Ook kinetische aspecten zullen bestudeerd worden. Voor het modelleren van de plasma-oppervlak interacties zullen verschillende benaderingen gebruikt worden: moleculaire dynamica (MD), een hybrid model (MD met Monte Carlo) en kwantumchemische studies (voor kleinere systemen). De resultaten van de numerieke simulaties zullen gebruikt worden om de processen die plaatsvinden in de experimentele setups beter te begrijpen, en ze zullen ook input leveren om deze te verbeteren.
De vijf “onderzoeks” werkpaketten zijn sterk met elkaar verbonden en zullen aanzienlijk bijdragen tot een beter begrip van (i) de fundamentele processen die plaatsvinden in het plasma en (ii) de plasma-oppervlak interacties zelf.
Het laatste werkpaket (VI) is gericht op opleiding en verspreiding van de resultaten. Dit werkpaket is essentieel om het voortbestaan en de lange termijn impact van het project te garanderen, en omvat activiteiten gericht op doctoraatsstudenten en postdoctorale onderzoekers, alsook internationale verspreiding naar de wetenschappelijke onderzoeksgemeenschap (conferenties, workshops). Gemeenschappelijke doctoraatsstudenten en mobiliteit tussen de onderzoekers binnen het IUAP netwerk en het internationale netwerk opgebouwd door de partners zal aangemoedigd worden.
