Plasma rece
Plasma este cunoscuta ca a patra stare a materiei, in ordinea scaderii gradului de ordonare interna a componentelor: solid, lichid, gaz si starea ionizata a materiei – plasma.
Plasma poate fi definita ca un ansamblu neutru de particule libere cu sarcini pozitive si negative, cuprinzand de cele mai multe ori si particule neutre. Unul dintre parametrii care descriu acest ansamblu este densitatea purtatorilor de sarcina, care determina si frecventa ciocnirilor directe dintre particulele componente ale plasmei.
Intelegerea plasmelor poate avea ca punct de plecare ansamblul proceselor elementare, care considera interactia diferitelor tipuri de particule. O tratare completa a plasmei ar trebui sa tina cont de:
• fortele coulombiene dintre toate particulele incarcate electric, campurile magnetice si electrice,
• efectele relativiste,
• radiatia datorata accelerarii particulelor incarcate,
• fortele gravitationale,
• ciocnirile dintre atomii neutri,
• procesele de ionizare-recombinare,
• procesele de excitare, dezexcitare, etc.
Procesele de interactiune intre particule constituente ale plasmei pot fi caracterizate de sectiunile de ciocnire, care pot fi determinate experimental pentru diferitele tipuri de interactii.
Pe langa procesele de interactie individuala la nivelul atomic sau molecular, exista si procese colective, cuprinzand ansamble de particule, procese care caracterizeaza de asemenea plasma. Un asemenea proces important este difuzia, proces ce determina miscarea de ansamblu a particulelor, tinzand sa diminueze sau sa anuleze diferentele spatiale de densitate ale oricarei specii considerate in plasma. Diferentele de densitate pot fi totusi mentinute impotriva acestui proces continuu de migrare atunci cand sunt cauze opuse care genereaza variatia densitatii de particule.
In plasme, procesul de difuzie a particulelor incarcate nu este unul liber, ci tinde sa fie inlocuit de un altul, cunoscut sub numele de difuzie ambipolara. Acesta este generat de cresterea sarcinii spatiale atunci cand densitatea locala de electroni este diferita de cea ionica. Aceasta sarcina spatiala creaza un camp electric ce tinde sa incetineasca procesul de difuzie al particulelor mobile (electroni) si sa-l accelereze pe al celor lente (ioni). Cu alte cuvinte, datorita interactiunilor coulumbiene ionii si electronii constituie un ansamblu “cuplat” care se misca unitar daca densitatea plasmei este mai mare decat o valoare de prag, determinate in esenta de dimensiunea spatiala a plasmei.
Principalele caracteristici ale unei plasme sunt determinate de miscarea particulelor constituente. In absenta campurilor electrice si magnetice externe, miscarea particulelor incarcate in plasme slab ionizate este puternic afectata de ciocirile cu neutrii, similar cu miscarea atomilor in gazele obisnuite. Cand parcursul mediu intre ciocniri al particulelor incarcate in plasma este mult mai mic decat dimensiunile plasmei, traiectoria se compune din linii segmentate corespunzatoare miscarilor intre cioniri si regiunile de ciocnire in care directia si viteza particulelor se schimba. Diferenta considerabila care apare intre plasma si un gaz este datorata in primul rand existentei sarcinilor electrice pozitive si negative si efectului exercitat de campurile electrice si magnetice asupra miscarilor particulelor incarcate. Campul electric (atat cel electric extern cat si cel aferent sarcinii spatiale a plasmei) accelereaza particulele incarcate in spatiul dintre ciocniri. In medie, dupa un numar sufficient de mare de ciocniri, acceleratia indusa de campurile electrice da nastere atat unei miscari directionate a particulelor cat si unei cresteri a vitezei miscarilor intamplatoare, avand ca efect net incalzirea plasmei (incalzire stochastica). In plasmele slab ionizate, componentele ionice si electronice ale plasmei sunt incalzite in mod diferit. De obicei, electronii au viteze superioare ionilor, datorita raportului maselor lor si a mobilitatii mult mai mari a electronilor. Prezenta campurilor electrice duce la cresterea energiei ionilor, dar acestia isi egalizeaza practic energia cu cea a neutrilor din cauza ciocnirilor frecvente.
Plasmele reci, slab ionizate, sunt cele in care densitatea de particule incarcate este scazuta, raportul dintre numarul de ioni si neutri variind intre 1/10 si 1/1.000.000. In aceste plasme un rol important il joaca ciocnirile intre particule, care duc atat la crearea de ioni cat si la recombinarea acestora, acestia transformandu-se in atomi excitati sau neutri. O caracteristica importanta a plasmelor reci este lipsa echibrului termodinamic intre speciile prezente, temperature electronilor fiind mult mai mare decat cele ale ionilor si neutrilor, care raman apropiate de cele ale mediului ambient.
Plasmele reci sunt larg utilizate in tehnologiile moderne. Suprafetele imersate in plasma pot fi modificate prin gravare la scara nanometrica, polisare, depunere de straturi subtiri, creare de straturi difuzionale prin introducere de azot, carbon etc. De asemenea plasmele reci sunt larg utilizate in indutria ambalajelor alimentare si in industria alimentara, fiind eficiente pentru inactivarea a diferiti agenti patogeni, fara afectarea calitatii alimentelor, sau pentru degradarea micotoxinelor si pesticidelor prezente in produsele agricole.