Functional Modification of Materials and Synthesis of Nanostructures by Non-Equilibrium Atmospheric Pressure Plasma Processes
Anna Liguori
Dottorato: Meccanica e Scienze Avanzate dell’Ingegneria
Tutor: Vittorio Colombo
Anna Liguori - assegnista di ricerca presso il Centro Interdipartimentale di Ricerca Industriale – Meccanica Avanzata e Materiali (CIRI-MAM) dell’Alma Mater Studioroum – Università di Bologna. La sua ricerca è stata svolta presso il Gruppo di Applicazioni Industriali dei Plasmi guidato dal Prof. Colombo e ha permesso di instaurare rapporti di collaborazione con diverse industrie del territorio ed estere.
Vincitrice Premio Claudio Bonivento 2016.
"La ricerca scientifica mi appassiona, mi spinge a pormi delle domande su cosa ci sia dietro ad un particolare effetto, ad approfondire ogni aspetto nel dettaglio con impegno e dedizione, a non dare niente per scontato ...e mi regala incredibili emozioni e soddisfazioni"
Abstract
Ampiamente impiegato per numerosi processi industriali e studi sperimentali, il plasma può essere considerato come una delle tecnologie maggiormente pervasive e promettenti del nostro tempo. Diversamente dai plasmi termici, le potenzialità dei plasmi di non-equilibrio, specialmente se operanti a pressione atmosferica, sono ancora lontane dall’essere totalmente comprese. Infatti, i risultati sorprendenti e talvolta inaspettati ottenuti da studi sperimentali condotti in diverse parti del mondo, evidenziano la crescente versatilità di questa tecnologia, che risulta idonea ed impiegabile in molte applicazioni che intersecano la vita quotidiana. La tesi presentata, organizzata in due parti, propone la presentazione e la discussione dei risultati ottenuti durante le attività sperimentali condotte nel corso del dottorato nell’ampio settore di ricerca delle interazioni tra plasmi e materiali. La prima parte del lavoro si focalizza principalmente sull’investigazione delle potenzialità dei plasmi nella modifica di materiali, la deposizione di coating e il crosslinking di polimeri. In particolare, nei primi due capitoli, è stata riportata una sintesi delle tecniche convenzionali e delle strategie basate sull’utilizzo dei plasmi freddi a pressione atmosferica impiegati per lo svolgimento di questi processi, mentre nei capitoli successivi, sono stati presentati e discussi i risultati ottenuti durante il dottorato in seguito alla messa a punto e ottimizzazione di processi plasma assistiti per la modifica chimica di materiali, la deposizione di coating e il crosslinking di polimeri. La seconda parte della tesi riguarda l’investigazione delle potenzialità dei plasmi atmosferici di non- equilibrio per la produzione di nanostrutture in ambiente liquido. Analogamente alla prima, questa parte propone una overview sui metodi convenzionali e plasma assistiti per la produzione di nanostrutture; inoltre nella seconda parte dell’ultimo capitolo sono presentate le attività sperimentali svolte durante il dottorato e finalizzate alla sintesi di quantum dots in CuO in ambiente liquido.
Riassunto Divulgativo
La tesi di dottorato riporta le attività di ricerca finalizzate alla progettazione e ottimizzazione di setup sperimentali per l’efficace modifica funzionale di materiali e la sintesi di nanostrutture per mezzo di plasmi freddi a pressione atmosferica (CAP). Al giorno d’oggi, i metodi convenzionali, basati sull’uso di composti chimici, tossici ed inquinanti, su approcci costosi e/o time-consuming, sono ancora ampiamente adottati per la modifica di materiali e la sintesi di nanostrutture. Pertanto, tecnologie innovative, ecocompatibili e scalabili industrialmente sono fortemente richieste. La tecnologia basata sull’impiego di plasmi freddi a pressione atmosferica può essere considerata come una valida alternativa alle tecniche convenzionali, consentendo inoltre di superare le problematiche sopra riportate. Il plasma, definito come il quarto stato della materia, è un gas parzialmente ionizzato. Differentemente dai plasmi termici, i plasmi freddi risultano idonei al trattamento di materiali termosensibili; inoltre, le specie reattive del plasma (quali elettroni, ioni, radicali e radiazione UV) sono in grado di indurre la modifica chimica della superficie del materiale, mediante processo di funzionalizzazione. Infatti, i processi assistiti da plasmi freddi a pressione atmosferica, se opportunamente ottimizzati, consentono di funzionalizzare in modo efficace e con brevi tempi di trattamento la superficie dei substrati; di scegliere le caratteristiche chimiche da conferire al materiale, variando il tipo di gas impiegato per la generazione del plasma, in relazione all’applicazione finale, senza l’impiego di solventi chimici. Inoltre, grazie all’azione sinergica delle componenti reattive, i processi plasma assistiti possono essere impiegati per la sintesi, senza ricorrere a surfattanti o agenti cappanti, di nanostrutture e quantum dots (QDs) dall’alto valore aggiunto.
Relativamente alla modifica funzionale dei materiali, le attività condotte durante il dottorato sono state volte alla progettazione e ottimizzazione di processi assistiti da plasmi freddi a pressione atmosferica al fine di conferire caratteristiche chimiche specifiche a substrati polimerici, rendendoli così idonei ad applicazioni biomedicali. I risultati ottenuti hanno evidenziato che, anche con tempi di trattamento molto brevi (da alcuni secondi ad alcuni minuti), il processo consente di incrementare la biocompatibilità dei substrati polimerici, ottenendo così materiali impiegabili sia per l’adesione diretta di cellule eucariote sia per la preparazione di superfici attive mediante l’immobilizzazione di biomolecole. E’ importante evidenziare che, contestualmente all’incremento della biocompatibilità, le attività di ricerca hanno dimostrato che la funzionalizzazione plasma assistita, effettuate in condizioni operative ottimizzate, è in grado di conferire caratteristiche antibatteriche alla superficie, portando alla produzione di materiali impiegabili per applicazioni biomedicali nell’ambito della medicina rigenerativa. Oltre alla funzionalizzazione, le attività di ricerca hanno riguardato anche la messa a punto di processi assistiti da plasmi freddi atmosferici per la deposizione single-step di film sottili polimerici e coating nanocompositi, contenenti nanoparticelle all’interno della matrice polimerica, attraverso l’introduzione di precursori liquidi o gassosi nella regione di plasma. I risultati hanno evidenziato l’efficacia del processo nel depositare coating crosslinkati e, selezionando opportunamente il precursore, aventi anche un’alta concentrazione di gruppi funzionali polari e notevoli proprietà antibatteriche. Infine, si è proceduto alla progettazione e ottimizzazione di processi assistiti da plasmi freddi atmosferici per il crosslinking dei così detti biopolimeri, una famiglia di polimeri molto interessante in quanto, essendo prodotta da organismi viventi (piante, microorganismi, etc), rappresenta una risorsa sostenibile e rinnovabile. Tuttavia, il range delle loro possibili applicazioni non è così ampio come ci si aspetterebbe, in quanto la maggior parte di questi risulta essere estremamente solubile in acqua: un processo di crosslinking al fine di conferire ai biopolimeri stabilità durante il contatto con l’acqua risulta pertanto necessario. Le attività di ricerca svolte durante il dottorato hanno dimostrato, per la prima volta, la possibilità di impiegare processi assistiti da plasmi freddi a pressione atmosferica per conferire proprietà di resista all’acqua ai biopolimeri direttamente in fase solida, senza utilizzare agenti chimici o approcci time-consuming.
Per quanto riguarda la sintesi delle nanostrutture, gli studi preliminari condotti in collaborazione con la University of Ulster (UK), hanno dimostrato la possibilità di impiegare processi plasma assistiti per la sintesi di QDs in ossido di rame (CuO) aventi elevata purezza, mediante metodi rapidi e altamente ecocompatibili. Inoltre, i QDs prodotti sono caratterizzati da proprietà di confinamento quantico e sono pertanto idonei a diverse applicazioni, come ad esempio in celle fotovoltaiche.
