Minder druk, meer reactieve zuurstof: doorbraak voor plasmatechnologie

Plasma wordt weleens de vierde toestand van materie genoemd, naast vaste stof, vloeistof en gas. Het bestaat uit geladen deeltjes en elektronen en vormt naar schatting 99,9 procent van alle materie in het heelal. Op aarde komt plasma van nature bijna niet voor, behalve bij bliksem, maar het is kunstmatig te maken door een hoge elektrische spanning door een gas te sturen. Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben nu ontdekt hoe je dat proces efficiënter kunt maken voor zuurstofplasma, een veelgebruikt hulpmiddel om oppervlakken te ontsmetten en chips te reinigen.

Waarom druk het verschil maakt

In een niet-thermisch plasma worden alleen de elektronen extreem heet, terwijl de atomen zelf in een reactieve 'radicale' toestand blijven. Bij zuurstofplasma is atomaire zuurstof de belangrijkste reactieve stof: dit radicaal breekt bacteriën, vervuiling en andere materialen af. Het probleem is dat atomaire zuurstof bij normale luchtdruk maar heel kort bestaat. Door botsingen met andere gasmoleculen verdwijnt het radicaal vaak voordat het zijn werk kan doen. Het team onder leiding van universitair hoofddocent Yusuke Nakagawa liet zien dat een iets lagere druk dan atmosferisch niveau dat probleem grotendeels oplost. De levensduur van de zuurstofradicalen werd langer, zonder dat de totale hoeveelheid geproduceerde radicalen afnam. Het resultaat: meerdere malen meer bruikbare radicalen die daadwerkelijk met een oppervlak kunnen reageren.

Ontdekking in de donkere zones

Om dit proces in kaart te brengen, gebruikten de onderzoekers gepulste elektrische ontladingen door zuivere zuurstofgas. Met lasers brachten ze atomaire zuurstof aan het fluoresceren, waardoor ze precies konden zien waar en wanneer het radicaal ontstond rond de elektroden. Dat leverde een opvallende bijvangst op: atomaire zuurstof ontstaat niet alleen in de zichtbaar oplichtende delen van het plasma, maar ook in donkere zones vlak bij de elektroden. Dat betekent dat ook elektronen met een gematigde energie bijdragen aan de vorming van radicalen, iets wat tot nu toe over het hoofd werd gezien bij plasmadiagnostiek. Deze donkere gebieden verklaren mede waarom een licht verlaagde druk zoveel meer bruikbare radicalen oplevert. Het onderzoek is gepubliceerd in het Journal of Physics D: Applied Physics.

Toepassingen in de praktijk

De bevindingen zijn direct relevant voor sectoren die op zuurstofplasma leunen, van de halfgeleiderindustrie tot de medische en agrarische sector. Door simpelweg de druk iets te verlagen, kunnen fabrikanten van chips of medische apparatuur mogelijk met minder energie hetzelfde of een beter resultaat behalen. Voor de biomedische industrie, waar plasma wordt ingezet om oppervlakken te steriliseren, betekent dit potentieel een sneller en effectiever ontsmettingsproces. Het onderzoek toont vooral aan dat een goed begrip van waar en hoe radicalen ontstaan, essentieel is om plasmatechnologie efficiënter te maken.