توسط دانشجوی دکتری فیزیک دانشگاه گیلان صورت گرفت:

طراحی و ساخت راکتور لایه نشانی پلاسمایی غیر حرارتی

راکتور مذکور بر پایه روشی نوین از مهندسی پلاسما طراحی شده که قادر است بویژه برای سطوح حساس به دما، در یک بازه زمانی چند دقیقه ای و کم هزینه بکار بسته شود.

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری از گیلان؛ “راكتور لايه نشاني پلاسمايي غيرحرارتي مغناطيده جهت پوشش دهي فيلم هاي نازك و ضخيم با قابليت كاركرد از فشار خلاء تا فشار اتمسفري” توسط مريم نيل کار دانشجوی دکتری فیزیک دانشگاه گیلان و با راهنمایی دکتر ساعد جعفري و دکتر فرهاد اسمعيلي قدسي از اعضای هیأت علمی گروه فیزیک این دانشگاه طراحی و ساخته شد.

امروزه کلید موفقیت جوامع پیشرفته، بکار بستن علوم نوین در صنعت بوده و در این بین نانوفناوری و صنایع مرتبط با آن از فناوری های پیشتاز محسوب می شوند. از سویی شاخه جدیدی از علم با نام مهندسی پلاسما پا به عرصه صنعت گذاشته که قادر است در ارتباط و هم اندیشی با فناوری نانو، به محصولات ارزشمند و جدیدی منجر شود. توانایی ایجاد پوشش های فوق آبگریز (با کاربردهایی در سطوح خود تمیز شونده و ضد لک) و فوق آبدوست (برای ضد مه کردن سطوح و نیز رنگرزی منسوجات)، ارتقاء کیفیت سلول های خورشیدی، نانو حسگرها، نانو کاتالیست ها، نانو پوشش های بر پایه کربن و کربن شبه الماس، و نیز پوشش دهی مواد و ادوات زیست سازگار مصنوعی با اندام های داخلی بدن و ...، از ویژگی های ممتاز ترکیب مهندسی نانو با مهندسی پلاسما است.

هدف این مخترعین از طراحی و ساخت راکتور مذکور، توسعه فناوری پوشش دهی بر پایه روشی نوین از مهندسی پلاسما بوده که قادر است بویژه برای سطوح حساس به دما، در یک بازه زمانی کوتاه (چند دقیقه ای) و کم هزینه با تکنیکی ابتکاری و ساده بکار بسته شود.

پلاسما حالت چهارم ماده بوده و در واقع یک گاز یونیزه شده حاوی ذرات باردار (الکترون ها و یون ها)، ذرات برانگیخته و خنثی، رادیکال های آزاد، فوتون ها (تابش های فرابنفش و مرئی) و غیره است. روش های تولید پلاسما در آزمایشگاه شامل الکتریکی (مانند پلاسمای موجود در لوله های تخلیه الکتریکی و لامپ های نئون)، روش حرارتی (مانند پلاسمای موجود در خورشید و ستارگان) و روش امواج الکترومغناطیسی (مانند پلاسمای ناشی از گداخت لیزری در فرایند همجوشی لختی هسته ای) می شود.

تولید پلاسما با استفاده از تخلیه الکتریکی در یک گاز، در سه حالت اساسی اتفاق می افتد که به حالت های تخلیه الکتریکی تاریک، تخلیه الکتریکی تابان، و تخلیه الکتریکی قوسی معروف اند. در تخلیه الکتریکی تاریک همانطور که از نامش پیداست، یک پلاسمای غیر درخشان را خواهیم داشت که هیچ نور مرئی ای از خود گسیل نمی کند، در حالی که در  تخلیه تابان، که ناشی از افزایش جریان (یا ولتاژ) الکتریکی اعمالی بر گاز است، تابشی درخشان از پلاسما تولید می شود (مانند تخلیه لامپ های نئون یا مهتابی ها). سرانجام با اعمال یک جریان بسیار قوی بر گاز، می توان تخلیه الکتریکی قوسی را پدیدار ساخت (مانند تخلیه رعد و برق). شدت جریان در ناحیه تاریک (که به ناحیه تاوسند معروف است) در محدوده نانو آمپر تا میکرو آمپر است، در حالیکه شدت جریان در ناحیه تخلیه تابان، در حدود چند میلی آمپر است. همچنین برای ایجاد یک تخلیه قوسی در پلاسما به جریان هایی بیش از چندین ده آمپر نیاز داریم.

پلاسماها از لحاظ دما به دو دسته پلاسمای غیر حرارتی (پلاسمای سرد) و پلاسمای حرارتی (پلاسمای داغ) طبقه بندی می شود. در یک پلاسمای غیر حرارتی، دمای یون ها، ذرات برانگیخته و خنثی، و حتی رادیکال های آزاد موجود در پلاسما در محدوده تقریبا نزدیک به دمای اتاق بوده، در حالیکه دمای الکترون ها مقداری بین یک الکترون ولت تا ده الکترون ولت تغییر می کند، اما این الکترون های داغ بعلت چگالی بسیار پائین خود، نقش مهمی در گرم کردن دیگر مولفه های پلاسما ندارند و بنابراین دمای پلاسما در حدود دمای اتاق باقی خواهند ماند، که از این رو به آن “پلاسمای سرد” اطلاق می شود. نقش اصلی الکترون های داغ و پر انرژی در چنین پلاسمایی، تولید گونه های فعال شیمیایی نظیر رادیکال های آزاد و مولکول های برانگیخته است که این گونه ها برای فرایند های مواد، بسیار مناسب هستند.

از آنجا که یک اختلاف دما بین ذرات پلاسمای غیر حرارتی یا سرد وجود دارد، در حالت تعادل ترمودینامیکی نخواهد بود، و از این رو به چنین پلاسمایی، پلاسمای غیرتعادلی هم می گویند. از کاربردهای پلاسمای سرد می توان به مواردی چون پردازش و اصلاح سطح مواد (بافت های زنده و غیر زنده)، لایه نشانی و ایجاد فیلم های نازک و ضخیم، میکروب زدایی، درمان سلول های سرطانی، استریلیزاسیون تجهیزات پزشکی و ...، اشاره کرد.

از سوی دیگر وقتی دمای پلاسما بسیار زیاد باشد، در چنین پلاسمایی بعلت یونش شدید گاز دیگر مولکول (یا اتم) خنثی و یا رادیکال آزادی وجود نخواهد داشت، بلکه فقط یون ها و الکترون ها محیط پلاسما را احاطه خواهند کرد، و این دو گونه در تعادل دمایی خواهند بود. از این رو به چنین پلاسمایی، پلاسمای حرارتی (پلاسمای داغ) یا پلاسمای تعادلی گویند، که می توان از آن در مطالعه فرایندهایی مانند تحول ستارگان، قوس ها و مشعل های جوشکاری پلاسمایی، زباله سوزهای پلاسمایی، همجوش هسته ای و ... بهره برد.

از لحاظ فشار، پلاسما به دو دسته پلاسمای فشار پایین و پلاسمای فشار بالا طبقه بندی می شود. در حالت پلاسمای فشار پایین، که فشار محیط به حالت خلاء بسیار نزدیک است، مستلزم در اختیار داشتن پمپ خلا بوده و غالباً این نوع پلاسماها در مواردی که مواد نسبت به فرایند اکسید شدن و وجود اکسیژن بسیار حساس باشند، بکار می رود. در حالت پلاسمای فشار بالا که فشار محیط پلاسما نزدیک به گسترده فشار اتمسفر است، دیگر نیازی به پمپ های خلاء نیست.

مريم نيل کار در گفت و گو با خبرگزاری علم و فناوری در گیلان با اشاره به اهداف مورد نظر از اختراع راكتور لايه نشاني پلاسمايي غيرحرارتي مغناطيده تصریح کرد: به منظور لایه نشانی فیلم های نازک و ضخیم، بهبود ویژگی‌ های سطحی یک ماده و نیز دیگر کاربردها، به طراحی و ساخت این راکتور از بدنه ای با جنس استیل ضد زنگ پرداختیم.

این مخترع با بیان قابلیت های راکتور مذکور خاطرنشان کرد: چنین راکتوری قادر است پلاسمایی همگن را در دو حالت پلاسمای آرام (در شرایط خلاء) و نیز پلاسمای استریمری (در فشارهای نیمه اتمسفری تا اتمسفری) ایجاد کند.

وی اساس کار این راکتور را تخلیه الکتریکی گاز ورودی (شامل هر نوع گازی و با قابلیت ترکیب چندین نوع گاز) بر پایه سد دی الکتریک دانست و افزود: در حالت لایه نشانی، عملکرد این راکتور ترکیبی از دو روش لایه نشانی نهشت بخار شیمیایی و نهشت بخار فیزیکی بوده که قادر است در محدوده فشار خلاء تا فشار اتمسفر کار کند و حتی برخلاف روش های رایج نیاز به هیچگونه منبع تارگت داخلی جهت کندوپاش ندارد.

نيل کار از مزایای این دستگاه به عملکرد آن در دمای پایین (نزدیک به دمای اتاق) اشاره کرد و گفت: این قابلیت برای پوشش دهی سطوح حساس به دما بسیار ارزشمند است.

وی در ادامه خاطرنشان کرد: در این راکتور امکان استفاده از آهنربای نئودیمیومی رینگی شکل در پایین یا بالای سطح نمونه وجود داشته که حضور آن نرخ سرعت واکنش های داخلی پلاسما را افزایش خواهد داد.

نيل کار با بیان این که راکتور حاضر از یک منبع فرکانس غیر رادیویی استفاده می کند، بنابراین نیازی به سیستم خنک کننده آب در هنگام فرایند لایه نشانی ندارد، افزود: این راکتور گاز ورودی را در فضای گاف بین دو الکترود (محل قرارگیری نمونه) هدایت می کند تا ضریب اطمینان بالاتری از تخلیه الکتریکی گاز ورودی بر روی نمونه حاصل شود. در این تکنیک دیگر نیازی به پر شدن محفظه راکتور از گاز تزریقی نخواهد بود، که این نرخ مصرف گاز را کاهش خواهد داد. 

وی امکان کار در بازه زمانی طولانی مدت (تا چندین ساعت)، کاربری ساده برای اپراتور، ایمنی کار، کوچک و قابل حمل بودن و نیز هزینه پایین ساخت را از دیگر مهمترین قابلیت های راکتور مذکور ذکر کرد.

نیل کار به کاربردهای فراوان سیستم اختراعی حاضر در حوزه های نانوفناوری، الکترونیک، علوم زیستی، مهندسی پزشکی، داروسازی، بیوتکنولوژی، صنایع غذایی، نساجی و مهندسی بافت اشاره کرد و گفت: لایه نشانی فیلم های نازک و ضخیم، ایجاد پوشش های خود تمیز شونده، ضد آب کردن بردها و ادوات الکترونیکی، ضد آب و ضد لک کردن منسوجات، استریل کردن ابزار آلات جراحی از جمله موارد استفاده از سیستم مذکور است.

وی پردازش نانوپودرها و محلول های شیمیایی، ارتقاء بایو مواد و بایو پلیمرها در پزشکی، بهبود ترشوندگی در فرایند رنگرزی، افزایش چسبندگی چاپ، آبدوست کردن لنزهای چشمی بدون بکاربستن مواد شیمیایی، فعالسازی کاتالیست ها در تولید کاتالیزورهای صنعتی، جلوگیری از فسفاته شدن و زنگ زدن ادوات الکترونیکی، زیست سازگار کردن ادوات مصنوعی در بدن در مهندسی پزشکی و نیز باکتری زدایی و کاهش بار میکروبی در گیاهان دارویی را از سایر کاربردهای این راکتور پلاسمایی دانست.

نیل کار در پایان با بیان این که الکترودهای این راکتور قابلیت تنظیمات سخت افزاری را دارند خاطرنشان کرد: تنظیم فاصله بین الکترودها، تنظیم زاویه قرارگیری الکترودها نسبت به همدیگر، چرخش الکترود زیرلایه حول محوری که از مرکزش می گذرد، تغییر شکل الکترودها به حالت های صفحه تخت، استوانه ای، سوزندار، و مش بندی شده و نیز تغییر جنس آنها از جمله این تنظیمات است.

گفتنی است، راکتور ابداعی با شماره ثبت ۹۸۴۱۴ و طبقه ‌بندی بین ‌المللی B01D53/00; B01J19/00 ثبت اختراع شده است.

انتهای پیام/

زمان انتشار: شنبه ۲۵ خرداد ۱۳۹۸ - ۰۷:۴۵:۰۰

شناسه خبر: 78241

دیدگاه ها و نظرات :
نام کامل وارد شود
دقیق و صحیح وارد شود
لطفا فارسی و خوانا باشد
captcha
ارسال
اشتراک گذاری مطالب