I plasmi sono usati per produrre microchip, ma sono anche usati nei sensori per verificare la presenza di particelle ultrafini che potrebbero rappresentare un grave rischio per la salute. Sebbene tali sensori siano comuni nell'industria, diversi problemi come costi, manutenzione e dimensioni devono essere affrontati prima che siano disponibili per l'uso quotidiano. Per la sua ricerca di dottorato, Tim Staps ha esplorato nuovi metodi per misurare le dimensioni e la concentrazione di particelle nei plasmi che potrebbero essere utilizzati per realizzare sensori di particelle più economici, più piccoli e più sostenibili in futuro. Ha esposto la sua tesi presso il dipartimento di Fisica Applicata l'8 febbraio.
I plasmi, che consistono in particelle cariche e sono uno dei quattro stati della materia, sono utilizzati in sistemi industriali ad alta tecnologia come nelle macchine litografiche per realizzare microchip o in sensori di particelle ultrafini (UFP) per misurare la concentrazione di minuscole particelle (inferiori a 0,1 micrometri) che potrebbero essere dannose per la salute umana.
"A causa delle loro piccole dimensioni, gli UFP possono depositarsi in profondità nei polmoni e quindi entrare nel flusso sanguigno, causando danni e malattie tissutali irreversibili", afferma Tim Staps, ricercatore Ph.D. nel gruppo Complex Ionized Media presso il dipartimento di Fisica Applicata.
Mentre i sensori UFP industriali sono in circolazione da un po' di tempo, ci sono diversi problemi che devono essere superati prima che siano comuni nella società. Anche la loro disponibilità tempestiva sarebbe un gran vantaggio in quanto il Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) stima che il numero di decessi nei Paesi Bassi a causa dell'inalazione di particolato (comprese le particelle ultrafini) emesse dalle auto e da altri processi è compreso tra 7.000 e 12.000 all'anno.
Il primo problema è il costo in quanto i dispositivi su scala di laboratorio hanno un prezzo di 10.000 euro, troppo costosi per le auto, mentre l'uso su larga scala della tecnologia per le particelle ultrafini è limitato dalla mancanza di legislazione. Inoltre anche molti problemi tecnici stanno ostacolando il loro uso su larga scala.
"Oltre a realizzare sensori UFP compatti, non dovrebbero neppure richiedere una manutenzione continua. Ad esempio, i sensori industriali devono essere controllati ogni 100 ore, il che non è fattibile per le auto", afferma Staps. "I sensori devono anche essere sensibili poiché le concentrazioni di UFP nell'aria possono essere basse e difficili da misurare".
"Sensori UFP accurati potrebbero proteggere il benessere delle persone monitorando la qualità dell'aria interna negli edifici e nei luoghi di lavoro in cui gli UFP sono all'ordine del giorno. Per combattere le alte concentrazioni di UFP, potrebbero quindi essere introdotti riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria. La linea di fondo però è misurare con precisione gli UFP e quindi agire sul loro rilevamento."
Per la sua ricerca di dottorato, Staps e i suoi colleghi hanno sviluppato modi per misurare con precisione la carica superficiale delle particelle. "In primo luogo, carichiamo le particelle usando un plasma guidando elettroni e ioni del plasma verso le particelle, e successivamente abbiamo misurato la quantità di carica trasportata dalle particelle. È la carica totale di tutte le particelle che dà una misura delle loro dimensioni e concentrazione" ha spiegato Staps.
Per misurare la carica delle particelle, Staps si è rivolto alla spettroscopia di risonanza della cavità a microonde (MCRS), una tecnica utilizzata dal 1950 per misurare gli elettroni liberi in un gas in condizioni di vuoto. Staps e i suoi colleghi hanno adattato la tecnica per l'uso in condizioni normali di pressione e densità dell'aria.
"Nel vuoto, gli elettroni possono viaggiare per molti metri prima di scontrarsi con una particella di gas o polvere. In condizioni normali questa distanza diminuisce drasticamente e i segnali prodotti quando un elettrone colpisce una particella di gas o polvere sono molto più piccoli che nel vuoto. Quindi, abbiamo progettato una nuova configurazione che riduce al minimo gli effetti delle vibrazioni esterne e di altre fonti di rumore del segnale".
Sia in condizioni di vuoto che atmosferiche, Staps e i ricercatori hanno scoperto che le collisioni tra le particelle e gli elettroni liberi nel plasma determinavano se le particelle erano cariche o meno. "Tali osservazioni sono importanti per comprendere il processo fisico dietro la carica e la scarica delle particelle. Ma gli stessi dati possono anche essere utilizzati per sviluppare nuove teorie per descrivere i processi di carica in condizioni di pressione variabile".
Rilevare le collisioni tra elettroni e particelle è una cosa, ma Staps e i ricercatori avevano bisogno di misurare gli elettroni legati alle particelle e la presenza di ioni negativi (che sono le particelle di polvere finali) nel plasma. Ma per misurare le cariche, gli elettroni devono essere liberati dalle particelle, e per fare questo, i ricercatori hanno usato i laser in combinazione con MCRS.
"L'approccio laser, noto come fotodegnalazione, prevede lo sparo di un gran numero di fotoni contro le particelle. È importante sottolineare che l'energia del fotone supera l'energia di legame che confina l'elettrone alla superficie delle particelle. Questo è un modo davvero unico per rilevare la carica sulle particelle nel vuoto e la presenza di ioni negativi a pressione atmosferica".
Staps è estremamente ottimista sul fatto che la sua ricerca potrebbe fornire un ottimo punto di partenza per lo sviluppo di futuri sensori di particelle. "Per realizzare sensori di particelle ultrafini accurati, dobbiamo capire come vengono caricate le piccole particelle e quindi utilizzare questi dati per formulare nuove teorie sulla carica basata sul plasma delle nanoparticelle", ha affermato Staps.
"Queste intuizioni possono accelerare il progresso delle tecnologie dei sensori e la produzione di questi sensori su scala industriale è probabile che avvenga molto presto. Ma le sfide ingegneristiche rimangono, una delle quali è che i plasmi che interagiscono con l'aria vengono contaminati abbastanza rapidamente".
Inoltre, lo sviluppo di sensori accurati può aiutare le industrie a ridurre al minimo la produzione di particelle ultrafini dai processi, migliorando di conseguenza la qualità dell'aria e riducendo i rischi per la salute di coloro che lavorano e vivono in prossimità di sistemi che producono UFP.