Plazmová nanomodifikace povrchu materiálů

Prof. RNDr. Mirko Černák, CSc.

Plazmová nanomodifikace povrchu materiálů

• V současné době neexistuje žádná všeobecně uznávaná definice nanotechnologie. Existuje mnoho definic, které se více nebo méně liší

• Nanotechnologie však není nová vědecká disciplína• V americkém programu “Národní nanotechnologická iniciativa

(NNI)” (ve znění z března 2004) je použita tato definice:

Nanotechnologie je výzkum a technologický vývoj na atomové, molekulární nebo makromolekulární úrovni, v rozměrové škále přibližně 1–100 nm. Je to též vytváření a používání struktur, zařízení a systémů, které mají v důsledku svých malých nebo intermediárních rozměrů nové vlastnosti a funkce. Je to rovněž dovednost manipulovat s objekty na atomové úrovni.

Plazmová nanomodifikace povrchu materiálů

• Pojem „nanotechnologie“ se obvykle používá jako společný pojem, který zahrnuje různé obory nanovědy a nanotechnologie

• Jedná se o interdisciplinární a průřezovou technologii

• Oblast nanomateriálů je zaměřena na zkoumání a vývoj nových druhů materiálových systémů, jejichž podstatné vlastnosti vyplývají z rozměrů jejich složek v nanometrech

Plazmové nanotechnologie

• Proč „plazmová nanotechnologie“?• Plazma lze s výhodou použít např.:– na přípravu nanoprášku, fullerenů, nanotrubek,

nanovláken, …

Plazmové nanotechnologie

• Při vhodně zvolených podmínkách je možné při interakci nerovnovážného plazmatu s povrchem dosáhnout žádané změny vlastností povrchu ve vrstvě o hloubce řádově 10 nm, při čemž se však prakticky nezmění objemové vlastnosti materiálu

Plazmová nanomodifikace povrchu polymerních materiálů

• Důvody:– polymerní povrchy jsou obvykle „složitější“– v důsledku jejich citlivosti na vysokou teplotu je jejich plazmová

úprava komplikovanější– až 70% výrobků z polymerních materiálů se povrchově upravuje – povrchová úprava polymerních materiálů plazmatem má v

průmyslu mnoho aplikací

Struktura polymerních materiálů

• Dlouhé lineární molekuly někdy navzájem propojené, tj. zesíťované kovalentními vazbami (např. termosety)

• Zesíťování (cross-linking)

Interakce plazmatu s povrchem polymerních materiálů

Interakce plazmatu s povrchem polymerních materiálů

Čištění/leptání

• Povrch polymerních materiálů je pokrytý zoxidovanou vrstvou nízkomolekulárního polymeru, který vzniká např. při extruzi a zmenšuje adhezi k následné povrchové úpravě

• „Photoresist ashing“ – odleptání fotorezistu

Aktivace/funkcionalizace povrchu polymeru

• definice aktivace:– vytváření volných radikálů na povrchu polymeru

fyzikálním účinkem chemicky inertního plazmatu– následně po vystavení chemicky reaktivní plynné

atmosféře nastává funkcionalizace – problém „Plasma ZOO“

Aktivace/funkcionalizace povrchu polymeru

• definice funkcionalizace:– vytváření chemicky odlišných povrchových skupin

účinkem chemicky aktivního plazmatu (obvykle hydrofilizace povrchu polymeru)

• významný problém stárnutí hydrofilní funkcionalizace (hydrophobic recovery)

Roubování (grafting)

Depozice nanovrstev plazmovou polymerizací

Příklady zajímavých moderních procesů

• Samočistící povrchy: Lotus efekt– objevil a vysvětlil

Wilhelm Barthlott, Bonn Institute of Botany v r. 1990

– „trik“ - superhydrofobní povrch (hydrofobní a drsný povrch)

– 3 příklady

Příklady zajímavých moderních procesů

• Imobilizace nanoprášku na povrch plazmově aktivovaných polymerních vláken– nanočástice Ag – antimikrobiální účinky– nanočástice TiO2 – samočistící účinky

– nanočástice oxidů železa - magnetické textilie

Příklady zajímavých moderních procesů

• Vlákna netkané textilie funkcionalizované v DCSBS a následně pokryté vrstvou nanočástic TiO2 z vodné suspenze (fotky před a po praní)

• mechanismus pevné imobilizace nanočástic není znám

• J.J.Roth:„Vývoj zdrojů plazmatu pracujících za atmosférického tlaku s cílem nahradit drahé aplikace plazmatu za nízkých tlaků je současným trendem v průmyslových aplikacích plazmatu.“

• Díky výsledkům výzkumu v oblasti fyziky elektrických výbojů je možné diskutované plazmové nanomodifikace povrchů realizovat průmyslově za atmosférického tlaku při nízkých cenách a krátkých expozičních časech (řádově 0,1 s)

• Kolektiv na Ústavu fyzikální elektroniky patří mezi vedoucí pracoviště v oblasti in-line průmyslových plazmových nanomodifikací povrchů

• V návaznosti na téměř 30-roční tradici výzkumu v oblasti plazmových povrchových úprav na ÚFE (Prof. Truneček, Prof. Kapička a Prof. Janča) bude hlavním cílem připravovaného Regionálního VaV centra pro nízkonákladové plazmové a nanotechnologické povrchové úpravy především VaV in-line průmyslových aplikací těchto technologií

Děkuji za pozornost!