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LEA LIPES : Laboratoire Interaction Plasma Extreme Surface

Depuis plus de 10 ans, l'équipe ESPRITS de l'Institut Jean Lamour (F) développe des travaux de recherche en collaboration avec le département Science et Analyse des Matériaux (SAM) du Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann (CRP GL) au Luxembourg.

Le groupe ESPRITS possède une expertise en physique, chimie et ingénierie des plasmas incluant diagnostic, cinétique modélisation et simulation numérique. Les 19 chercheurs ingénieurs et techniciens mènent des recherches fondamentales et appliquées dans les domaines suivants :

  • interactions plasma surface - ITER
  • plasmas hautes pressions
  • traitements thermochimiques assistés par plasma
  • dépôt de films minces par plasma

 

Plus récemment, des études se sont orientées vers la possibilité d'utiliser des plasmas à la pression atmosphérique pour nanostructurer des surfaces.

 

Le département Science et Analyses des Materiaux (SAM) est à la fois un département de recherche fonamentale et appliquée et un centre d'analyse. Il  assiste plus d'une centaine de partenaires industriels et académiques à travers le monde en matière de R&D sur les matériaux et les surfaces. SAM est aujourd'hui un laboratoire de référence en :

  • caractérisation des matériaux, surfaces et interfaces;
  • traitements de surface innovants;
  • conception et développement d'instruments scientifiques.

 

Suite à une collaboration de longue date entre les deux groupes et sur la base de leurs compétences complémentaires, les deux équipes ont demandé, avec succès, la lebelisation Laboratoire Européen Associé, un laboratoire sans mur du CNRS et  du CRP GL.

Ce laboratoire transfrontalier intitulé LIPES (Laboratoire Interaction Plasma Extrême Surface) a été inauguré le 19 janvier 2011.

Le LEA LIPES étudie les interactions entre un plasma et l'extrême surface de différents matériaux. L'accent est mis sur la "construction" de la surface à partir d'espèces isolées déposées jusqu'à la complétude d'une monocouche. Les objectifs visent à une meilleure compréhension du comportement d'un espèce isolée déposée sur une surface par une approche physico-chimique. Il sera alors possible de décrire et de prédire le comportement des espèces réactives sur une surface bien identifiée. Cela nous permettra alors d'orienter les procédés plasmas pour conférer aux surfaces des propriétés spécifiques.

Study of plasma interactions with simple molecules to treat living materials

 

Within the framework of the LIPES wall-less laboratory, we started a collaborative work on the treatment of simple molecules for applications in the field of living materials. Reversible blood coagulation can be performed by atmospheric pressure plasmas, for instance. However, blood, like all living materials, is extremely complex and there is a long way to go to improve our understanding of the interactions undergone by these materials when they are submitted to a non thermodynamic equilibrium medium like a gas discharge. We chose to simplify this issue by looking at the interaction of plasmas with simple molecules and to establish a reactivity map by the nature of the bonds present in the chosen molecules. In amino acids, the elemental brick of life, one finds acid (-COOH) and amine (-NH2) groups, C-C and CH bonds. We can also find phenyl rings, double bonds, thio-ethers, etc. Until now, we studied the interactions of remote discharges (i.e. where no electrons and ions survive but the neutral species) with C-C and C-H, COOH and phenyl rings by using respectively hexatriacontane (C36H74), stearic acid (CH3-(CH2)16- COOH) and biphenyl (C12H10).

 

 

The study of stearic acid is given here as an interesting result concerning a specific function: the acid function. There is no species present in Ar-O2, Ar-H2 and Ar-N2 remote plasmas that can attack the acid function. Currently, we are investigating Ar-O2- H2 mixtures to create OH groups that could destabilize this function. Nevertheless, we were able to highlight several interesting mechanisms. First, the deposition of stearic acid occurs in the form of micrometric beads (see figure). During the first moments of the remote plasma treatment under Ar-O2, we observed by LDIToF- SIMS a dewetting of the beads on the surface which then form a quasi-continuous film. Next, the etching of this film takes place, and gives new islands on the carbonaceous surface. We could see that the XPS signal of carbon for instance reaches a maximum during the treatment time. The etching mechanisms of stearic acid are exactly the same as those of long chain alkanes, including hexatriacontane that we studied in detail. On the other hand, used as thick films, the stearic acid cannot be easily etched. We discovered it was due to the mobility of the radical chains which enhance cross-linking reactions. We also understood that oxidizing species in the remote plasma diffuse in the acid over a significant surface, inducing subsurface reactions that are responsible for the synthesis of large bubbles in the core of the material. Finally, by pulsing the plasma and limiting the temperature, we could etch thick films of stearic acid.

Tof-SIMS images of the surface of a silicon substrate covered by a layer of stearic acid and treated for one minute in a pulsed Ar-10%O2 remote plasma. Left: image of CxHyOz-like species. Right, image of silicon. We notice that the stearic acid coating is made of beads with a mean diameter close to 15 μm.


Références
E.A. Bernardelli, T Belmonte, D. Duday, et al., Plasma Chem. Plasma Proc., 31 (2011) 189-203 (part I)
E.A. Bernardelli, T Belmonte, D. Duday, et al., Plasma Chem. Plasma Proc., 31 (2011) 205-215 (part II)
T. Belmonte, E. A. Bernardelli, M. Mafra, et al. Surf. Coat. Technol. 205 (2011) S443–S446