Studio dell'interazione tra un plasma jet nanopulsato con substrati metallici, dielettrici e liquidi

Il plasma è denominato quarto stato della materia ed è generalmente definito come un gas ionizzato costituito da elettroni e ioni. In ambito industriale i plasmi hanno trovato impiego per diversi tipi di applicazione quali il trattamento di superfici, la degradazione e lo smaltimento di rifiuti, il taglio di materiali, primi fra tutti i metalli. In particolare i plasmi atmosferici di non equilibrio, che possiedono la caratteristica di mantenere una temperatura macroscopica paragonabile a quella ambiente, sono studiati anche per applicazioni in campo biomedicale, oltre che in quello industriale. Da alcuni anni sono quindi oggetto di indagine per le caratteristiche di sterilizzazione di fluidi o solidi, per la coagulazione e il trattamento di lesioni e lacerazioni, per trattamenti su superfici quali la pelle, per il trattamento di cellule tumorali e staminali o per interfacce dispositivi biomedicali – corpo umano. Questo nuovo settore di ricerca, in grande sviluppo, viene comunemente definito Plasma & Medicine. Poiché in ambito biomedicale, un trattamento plasma può interessare diverse tipologie di substrati biologici e materiali, è stato scelto come obiettivo della tesi la caratterizzazione di una sorgente di plasma di non equilibrio a pressione atmosferica, denominata Plasma Jet, posta ad interagire con substrati di diversa natura (metallico, dielettrico, liquido). La sorgente utilizzata è in grado di produrre un plasma freddo e biocompatibile, generando diverse specie chimiche che garantiscono effetti molto interessanti (sterilizzazione, accelerazione della coagulazione sanguigna, cura di infezioni) per un utilizzo a contatto con il corpo umano o con componenti ingegneristiche che devono venire ad interagire con esso, quali stent, cateteri, bisturi. La caratterizzazione è stata effettuata mediante l’ausilio di due tecniche diagnostiche: la Schlieren Imaging, che permette di studiare la fluidodinamica del gas, OES (Optical Emission Spettroscopy), che permette di analizzare la composizione chimica della piuma di plasma e di determinare le specie chimiche che si producono. Questo elaborato si propone quindi di fornire una breve introduzione sul mondo dei plasmi e sulle loro caratteristiche, citando alcuni dei settori in cui viene utilizzato, industriali e biomedicali, con particolare attenzione per questi ultimi. Successivamente saranno riportati i setup utilizzati per le acquisizioni e una discussione sui risultati ottenuti dalle diverse tecniche diagnostiche utilizzate sul Jet durante i trattamenti. In ultimo sono poi riportate le conclusioni in modo da presentare le caratteristiche più importanti del comportamento della sorgente.

Separation control by means of oriented DBD plasma actuators: an experimental analysis in a wind tunnel

This thesis provides an experimental analysis of the effectiveness of oriented DBD plasma actuators over a NACA 0015 airfoil at low Reynolds numbers. Tests were performed in partnership with the Department of Electrical Engineering of Bologna University, in the wind tunnel of the Applied Aerodynamics Laboratory of Aerospace Engineering faculty. Lift coefficient measurements were carried out in order to verify how an oriented plasma jet succeeds in prevent boundary layer separation. Both actuators’ chord wise position and plasma jet orientation angle have been investigated to examine which configurations lead to the best results. A particular attention has been paid also to the analysis of results in steady and unsteady plasma actuation. Questa tesi offre un’analisi sperimentale sull’efficacia di attuatori al plasma orientabili, basati su una tecnologia DBD, installati su un profilo alare NACA 0015, a bassi numeri di Reynolds. Le prove sono state condotte in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna, nella galleria del vento del Laboratorio di Aerodinamica Applicata della Facoltà di Ingegneria Aerospaziale di Forlì. Per verificare come un getto orientabile di plasma riesca a prevenire la separazione dello strato limite, sono state eseguite misure sul coefficiente di portanza. Sono state indagate sia la posizione degli attuatori lungo la corda che l’angolo con cui è orientato il getto di plasma, per vedere quali configurazioni conducono ai migliori risultati. Una particolare attenzione è stata riservata all’analisi dei risultati ottenuti con plasma continuo e pulsato.

Progettazione, realizzazione e caratterizzazione funzionale di sorgenti di plasma atmosferico di non equilibrio per l'idrofobizzazione di fibre tessili

L’attività di tesi ha previsto la progettazione e realizzazione di sorgenti di plasma di non equilibrio a pressione atmosferica e l’individuazione delle condizioni operative ottimali per l’idrofobizzazione di materiali tessili. La prima parte delle attività di tesi hanno riguardato lo studio e l’approfondimento della letteratura scientifica al fine di individuare le sorgenti e i processi plasma assistiti per l’idrofobizzazione dei materiali. Relativamente alle sorgenti di plasma di non-equilibrio a pressione atmosferica, studi di letteratura riportano che sorgenti di tipo APPJ (Atmospheric Pressure Plasma Jet) consentono di effettuare un trattamento localizzato in un punto, mentre sorgenti DBD (Dielectric Barrier Discharge) risultano idonee a trattamenti di materiali large area. Per quanto riguarda i processi plasma assistiti, sulla base di quanto riportato in letteratura il processo di idrofobizzazione può avvenire principalmente mediante polimerizzazione di gas organici contenenti fluoro, introdotti nella regione di plasma, con la conseguente deposizione di coating fluorurati. Le attività sperimentali condotte durante la tesi hanno avuto l’obbiettivo di valutare la possibilità di rendere idrofobico un filato di fibra tessile naturale mediante l’utilizzo di una sorgente plasma jet operante con miscela di argon e gas organoflorurato. Il filato, messo in moto a diverse velocità, è stato fatto transitare attraverso la piuma di plasma. In particolare, si è passati da una velocità di movimentazione di 1 m/min a una di 10 m/min. I risultati ottenuti hanno evidenziato che maggiore è la velocità di movimentazione del filato attraverso la piuma di plasma, minore è il grado di idrofibizzazione raggiungibile sul filato stesso, in quanto minore è il tempo di esposizione del materiale al plasma. Infine, nell’ultima parte dell’attività di tesi, è stata progettata una sorgente DBD, che caratterizzata da una maggiore area di generazione del plasma rispetto alla sorgente plasma jet, consente di incrementare il tempo di esposizione del filato al plasma a parità di velocità di movimentazione del filato.

Trattamento di cellule cancerose mediante plasmi non termici

Con lo sviluppo di sorgenti capaci di sostenere scariche di non equilibrio a pressione atmosferica è nato un notevole interesse per le applicazioni biomediche del plasma, data la generazione nella scarica di una varietà di agenti efficaci in più ambiti. I plasmi di questo tipo, caratterizzati principalmente da una temperatura macroscopica vicina a quella ambiente, sono infatti già utilizzati, ad esempio, per la sterilizzazione, per il trattamento di polimeri per migliorarne la biocompatibilità, e per l’accelerazione del processo di coagulazione del sangue. In questo lavoro verrà presentata un’altra possibilità applicativa, sempre nel settore della plasma medicine, ovvero l’utilizzo dei plasmi per il trattamento di cellule cancerose, che sta avendo un particolare successo a causa dei risultati ottenuti dai vari gruppi di ricerca che sottintendono un suo possibile futuro nel trattamento di neoplasie. Verrà presentata una breve introduzione alla fisica del plasma, mostrando alcuni parametri che caratterizzano questo stato della materia, concentrandosi in particolare sui plasmi non termici o di non equilibrio, per poi passare al processo di ionizzazione del gas. Nel secondo capitolo sono approfondite due sorgenti per la generazione di plasmi non termici, la scarica a barriera dielettrica e il plasma jet. Il terzo capitolo fornisce una preliminare spiegazione degli agenti generati nella scarica e il rapporto che hanno con la materia con cui interagiscono. L’ultimo capitolo è il fulcro della ricerca, e comprende risultati ottenuti negli ultimi anni da vari gruppi di ricerca di molte nazionalità, e una breve parte riguardante la sperimentazione originale svolta anche in mia presenza dal gruppo di ricerca del Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione “Guglielmo Marconi”, rappresentato principalmente dal professor Carlo Angelo Borghi e dal professor Gabriele Neretti.