Análisis teórico del contacto plasma-superficie y sus aplicaciones industriales

Actualmente, la física de plasmas constituye una parte importante de la investigación en física que está siendo desarrollada. Su campo de aplicación varía desde el estudio de plasmas interestelares y cósmicos, como las estrellas, las nebulosas, el medio intergaláctico, etc.; hasta aplicaciones más terrenales como la producción de microchips o los dispositivos de iluminación. Resulta particularmente interesante el estudio del contacto de una superficie metálica con un plasma. Siendo la razón que, la dinámica de la interfase formada entre un plasma imperturbado y una superficie metálica, resulta de gran importancia cuando se trata de estudiar problemas como: la implantación iónica en una oblea de silicio, el grabado por medio de plasmas, la carga de una aeronave cuando atraviesa la ionosfera y la diagnosis de plasmas mediante sondas de Langmuir. El uso de las sondas de Langmuir está extendido a través de multitud de aplicaciones tecnológicas e industriales como método de diagnosis de plasmas. Algunas de estas aplicaciones han sido mencionadas justo en el párrafo anterior. Es más, su uso también es muy popular en la investigación en física de plasmas, por ser una de las pocas técnicas de diagnosis que proporciona información local sobre el plasma. El equipamiento donde es habitualmente implementado varía desde plasmas de laboratorio de baja temperatura hasta plasmas de fusión en dispositivos como tokamaks o stellerators. La geometría más popular de este tipo de sondas es cilíndrica, y la principal magnitud que se usa para diagnosticar el plasma es la corriente recogida por la sonda cuando se encuentra polarizada a un cierto potencial. Existe un interes especial en diagnosticar por medio de la medida de la corriente iónica recogida por la sonda, puesto que produce una perturbación muy pequeña del plasma en comparación con el uso de la corriente electrónica. Dada esta popularidad, no es de extrañar que grandes esfuerzos se hayan realizado en la consecución de un modelo teórico que explique el comportamiento de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma. Hay que remontarse a la primera mitad del siglo XX para encontrar las primeras teorías que permiten diagnosticar parámetros del plasma mediante la medida de la corriente iónica recogida por la sonda de Langmuir. Desde entonces, las mejoras en estos modelos y el desarrollo de otros nuevos ha sido una constante en la investigación en física de plasmas. No obstante, todavía no está claro como los iones se aproximan a la superficie de la sonda. Las dos principales, a la par que opuestas, aproximaciones al problema que están ampliamente aceptadas son: la radial y la orbital; siendo el problema que ambas predicen diferentes valores para la corriente iónica. Los experimentos han arrojado resultados de acuerdo con ambas teorías, la radial y la orbital; y lo que es más importante, una transición entre ambos ha sido recientemente observada. La mayoría de los logros conseguidos a la hora de comprender como los iones caen desde el plasma hacia la superficie de la sonda, han sido llevados a cabo en el campo de la dinámica de fluidos o la teoría cinética. Por otra parte, este problema puede ser abordado mediante el uso de simulaciones de partículas. La principal ventaja de las simulaciones de partículas sobre los modelos de fluidos o cinéticos es que proporcionan mucha más información sobre los detalles microscópicos del movimiento de las partículas, además es relativamente fácil introducir interacciones complejas entre las partículas. No obstante, estas ventajas no se obtienen gratuitamente, ya que las simulaciones de partículas requieren grandísimos recursos. Por esta razón, es prácticamente obligatorio el uso de técnicas de procesamiento paralelo en este tipo de simulaciones. El vacío en el conocimiento de las sondas de Langmuir, es el que motiva nuestro trabajo. Nuestra aproximación, y el principal objetivo de este trabajo, ha sido desarrollar una simulación de partículas que nos permita estudiar el problema de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma y que está negativamente polarizada con respecto a éste. Dicha simulación nos permitiría estudiar el comportamiento de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir, así como arrojar luz sobre la transición entre las teorías radiales y orbitales que ha sido observada experimentalmente. Justo después de esta sección introductoria, el resto de la tesis está dividido en tres partes tal y como sigue: La primera parte está dedicada a establecer los fundamentos teóricos de las sondas de Langmuir. En primer lugar, se realiza una introducción general al problema y al uso de sondas de Langmuir como método de diagnosis de plasmas. A continuación, se incluye una extensiva revisión bibliográfica sobre las diferentes teorías que proporcionan la corriente iónica recogida por una sonda. La segunda parte está dedicada a explicar los detalles de las simulaciones de partículas que han sido desarrolladas a lo largo de nuestra investigación, así como los resultados obtenidos con las mismas. Esta parte incluye una introducción sobre la teoría que subyace el tipo de simulaciones de partículas y las técnicas de paralelización que han sido usadas en nuestros códigos. El resto de esta parte está dividido en dos capítulos, cada uno de los cuales se ocupa de una de las geometrías consideradas en nuestras simulaciones (plana y cilíndrica). En esta parte discutimos también los descubrimientos realizados relativos a la transición entre el comportamiento radial y orbital de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir. Finalmente, en la tercera parte de la tesis se presenta un resumen del trabajo realizado. En este resumen, se enumeran brevemente los resultados de nuestra investigación y se han incluido algunas conclusiones. Después de esto, se enumeran una serie de perspectivas futuras y extensiones para los códigos desarrollados.

Physico-chemical characterization of metal-doped bone chars and their adsorption behavior for water defluoridation

New bone chars for fluoride adsorption from drinking water have been synthetized via metallic doping using aluminum and iron salts. A detailed statistical analysis of the metal doping process using the signal-to-noise ratios from Taguchi's experimental designs and its impact on the fluoride adsorption properties of modified bone chars have been performed. The best conditions, including the proper metallic salt, for metal doping were identified to improve the fluoride uptakes of modified bone chars. Results showed that the fluoride adsorption properties of bone chars can be enhanced up to 600% using aluminum sulfate for the surface modification. This aluminum-based adsorbent showed an adsorption capacity of 31 mg/g, which outperformed the fluoride uptakes reported for several adsorbents. Surface interactions involved in the defluoridation process were established using FTIR, DRX and XPS analysis. Defluoridation using the metal-doped bone chars occurred via an ion exchange process between fluoride ions and the hydroxyl groups on the adsorbent surface, whereas the Al(OH)xFy, FexFy, and CaF2 interactions could play also an important role in the removal process. These metal-doped adsorbents anticipate a promising behavior in water treatment, especially in developing countries where the efficiency – cost tradeoff is crucial for implementing new defluoridation technologies.

Indirect Bonding Method: in vitro Comparison of the Shear Bond Strength between Metallic Orthodontic Brackets and Different Porcelain Surface Preparations

Introduction : La force d’adhésion à l'interface métal-céramique avec les résines auto-polymérisantes destinées au collage indirect des boîtiers orthodontiques n'a pas été évaluée à ce jour et un protocole clinique basé sur la littérature scientifique est inexistant. Objectifs : 1) Comparer la force de cisaillement maximale entre des boîtiers métalliques et des surfaces en porcelaine préparées selon différentes méthodes; 2) Suggérer un protocole clinique efficace et prévisible. Matériel et méthodes : Quatre-vingt-dix disques en leucite (6 groupes; n = 15/groupe) ont été préparés selon 6 combinaisons de traitements de surface : mécaniques (+ / - fraisage pour créer les rugosités) et chimiques (acide fluorhydrique, apprêt, silane). Des bases en résine composite Transbond XT (3M Unitek, Monrovia, California) faites sur mesure ont été collées avec le système de résine adhésive auto-polymérisante Sondhi A + B Rapid Set (3M Unitek, Monrovia, California). Les échantillons ont été préservés (H2O/24hrs), thermocyclés (500 cycles) et testés en cisaillement (Instron, Norwood, Massachusetts). Des mesures d’Index d’adhésif résiduel (IAR) ont été compilées. Des tests ANOVAs ont été réalisés sur les rangs étant donné que les données suivaient une distribution anormale et ont été ajustés selon Tukey. Un Kruskall-Wallis, U-Mann Whitney par comparaison pairée et une analyse de Weibull ont aussi été réalisés. Résultats : Les médianes des groupes varient entre 17.0 MPa (- fraisage + acide fluorhydrique) à 26.7 MPa (- fraisage + acide fluorhydrique + silane). Le fraisage en surface ne semble pas affecter l’adhésion. La combinaison chimique (- fraisage + silane + apprêt) a démontré des forces de cisaillement significativement plus élevées que le traitement avec (- fraisage + acide fluorhydrique), p<0,05, tout en possédant des forces similaires au protocole typiquement suggéré à l’acide fluorhydrique suivi d’une application de silane, l’équivalence de (- fraisage + acide fluorhydrique + silane). Les mesures d’IAR sont significativement plus basses dans le groupe (- fraisage + acide fluorhydrique) en comparaison avec celles des 5 autres groupes, avec p<0,05. Malheureusement, ces 5 groupes ont des taux de fracture élévés de 80 à 100% suite à la décimentation des boîtiers. Conclusion : Toutes les combinaisons de traitement de surface testées offrent une force d’adhésion cliniquement suffisante pour accomplir les mouvements dentaires en orthodontie. Une application de silane suivie d’un apprêt est forte intéressante, car elle est simple à appliquer cliniquement tout en permettant une excellente adhésion. Il faut cependant avertir les patients qu’il y a un risque de fracture des restorations en céramique lorsque vient le moment d’enlever les broches. Si la priorité est de diminuer le risque d’endommager la porcelaine, un mordançage seul à l’acide hydrofluorique sera suffisant.

Surface studies of some metallic thin films by optical methods

The thesis aims to present the results of experimental investigations on the changes of optical properties of metallic thin films due to heating. The parameters which are measured are reflectivity, refractive indices and the ellipsometric quantities V and A . The materials used in the studies are metals like Silver, Aluminium and Copper. By applying the optical method the interdiffusion taking place in multilayer ‘films of Aluminium and Silver has also been studied. Special interest has been taken to reveal the mechanisms of the hillock growth and surface roughness caused by heating and their relation with the stress in the film

Swift heavy ion induced surface and microstructural evolution in metallic glass thin films

Swift heavy ion induced changes in microstructure and surface morphology of vapor deposited Fe–Ni based metallic glass thin films have been investigated by using atomic force microscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Ion beam irradiation was carried out at room temperature with 103 MeV Au9+ beam with fluences ranging from 3 1011 to 3 1013 ions/cm2. The atomic force microscopy images were subjected to power spectral density analysis and roughness analysis using an image analysis software. Clusters were found in the image of as-deposited samples, which indicates that the film growth is dominated by the island growth mode. As-deposited films were amorphous as evidenced from X-ray diffraction; however, high resolution transmission electron microscopy measurements revealed a short range atomic order in the samples with crystallites of size around 3 nm embedded in an amorphous matrix. X-ray diffraction pattern of the as-deposited films after irradiation does not show any appreciable changes, indicating that the passage of swift heavy ions stabilizes the short range atomic ordering, or even creates further amorphization. The crystallinity of the as-deposited Fe–Ni based films was improved by thermal annealing, and diffraction results indicated that ion beam irradiation on annealed samples results in grain fragmentation. On bombarding annealed films, the surface roughness of the films decreased initially, then, at higher fluences it increased. The observed change in surface morphology of the irradiated films is attributed to the interplay between ion induced sputtering, volume diffusion and surface diffusion

Comparison surface characteristics and chemical composition of conventional metallic and Nickel-Free brackets

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Surface modification by metal ion implantation forming metallic nanoparticles in insulating matrix.

There is special interest in the incorporation of metallic nanoparticles in a surrounding dielectric matrix for obtaining composites with desirable characteristics such as for surface plasmon resonance, which can be used in photonics and sensing, and controlled surface electrical conductivity. We investigated nanocomposites produced through metallic ion implantation in insulating substrate, where the implanted metal self-assembles into nanoparticles. During the implantation, the excess of metal atom concentration above the solubility limit leads to nucleation and growth of metal nanoparticles, driven by the temperature and temperature gradients within the implanted sample including the beam-induced thermal characteristics. The nanoparticles nucleate near the maximum of the implantation depth profile (projected range), that can be estimated by computer simulation using the TRIDYN. This is a Monte Carlo simulation program based on the TRIM (Transport and Range of Ions in Matter) code that takes into account compositional changes in the substrate due to two factors: previously implanted dopant atoms, and sputtering of the substrate surface. Our study suggests that the nanoparticles form a bidimentional array buried few nanometers below the substrate surface. More specifically we have studied Au/PMMA (polymethylmethacrylate), Pt/PMMA, Ti/alumina and Au/alumina systems. Transmission electron microscopy of the implanted samples showed the metallic nanoparticles formed in the insulating matrix. The nanocomposites were characterized by measuring the resistivity of the composite layer as function of the dose implanted. These experimental results were compared with a model based on percolation theory, in which electron transport through the composite is explained by conduction through a random resistor network formed by the metallic nanoparticles. Excellent agreement was found between the experimental results and the predictions of the theory. It was possible to conclude, in all cases, that the conductivity process is due only to percolation (when the conducting elements are in geometric contact) and that the contribution from tunneling conduction is negligible.

Metallic copper as an antimicrobial surface

Bacteria, yeasts, and viruses are rapidly killed on metallic copper surfaces, and the term "contact killing" has been coined for this process. While the phenomenon was already known in ancient times, it is currently receiving renewed attention. This is due to the potential use of copper as an antibacterial material in health care settings. Contact killing was observed to take place at a rate of at least 7 to 8 logs per hour, and no live microorganisms were generally recovered from copper surfaces after prolonged incubation. The antimicrobial activity of copper and copper alloys is now well established, and copper has recently been registered at the U.S. Environmental Protection Agency as the first solid antimicrobial material. In several clinical studies, copper has been evaluated for use on touch surfaces, such as door handles, bathroom fixtures, or bed rails, in attempts to curb nosocomial infections. In connection to these new applications of copper, it is important to understand the mechanism of contact killing since it may bear on central issues, such as the possibility of the emergence and spread of resistant organisms, cleaning procedures, and questions of material and object engineering. Recent work has shed light on mechanistic aspects of contact killing. These findings will be reviewed here and juxtaposed with the toxicity mechanisms of ionic copper. The merit of copper as a hygienic material in hospitals and related settings will also be discussed.

Laser shock processing: an emerging technique for the improvement of fatigue life and surface properties of high reliability metallic components

•Introduction •Process Experimental Setup •Experimental Procedure •Experimental Results for Al2024 - T351, Ti6Al4V and AISI 316L - Surface Roughness and Compactation - Residual stresses - Tensile Strength - Fatigue Life •Discussion and Outlook - Prospects for technological applications of LSP

Application of high-intensity short-pulse lasers to the mechanical and surface properties improvement of high reliability metallic components by shock processing

Outline: • Introduction • Process Experimental Setup • Experimental Procedure • Experimental Results for Al2024-T351 and Ti6Al4V - Residual stresses - Tensile Strength - Fatigue Life • Discussion and Outlook - Prospects for technological applications of LSP

In vivo surface roughness evolution of a stressed metallic implant

Peer reviewed

Effect of different cleansers on the surface of removable partial denture

Removable partial dentures (RPD) demand specific hygienic cleaning and the combination of brushing with immersion in chemical solutions has been the most recommended method for control of biofilm. However, the effect of the cleansers on metallic components has not been widely investigated. This study evaluated the effect of different cleansers on the surface of RPD. Five disc specimens (12 mm x 3 mm metallic disc centered in a 38 x 18 x 4 mm mould filled with resin) were obtained for each experimental situation: 6 solutions [Periogard (PE), Cepacol (CE), Corega Tabs (CT), Medical Interporous (MI), Polident (PO), 0.05% sodium hypochlorite (NaOCl), and distilled water (DW) control] and 2 Co-Cr alloys [DeguDent (DD) and VeraPDI (VPDI)] were used for each experimental situation. A 180-day immersion was simulated and the measurements of roughness (Ra, µm) of metal and resin were analyzed using 2-way ANOVA and Tukey’s test. The surface changes and tarnishes were examined with a scanning electronic microscopy (SEM). In addition, energy dispersive x-ray spectrometry (EDS) analysis was carried out at representative areas. Visually, NaOCl and MI specimens presented surface tarnishes. The roughness of materials was not affected by the solutions (p>0.05). SEM images showed that NaOCl and MI provided surface changes. EDS analysis revealed the presence of oxygen for specimens in contact with both MI and NaOCl solutions, which might suggest that the two solutions promoted the oxidation of the surfaces, thus leading to spot corrosion. Within the limitations of this study, it may be concluded that the NaOCl and MI may not be suitable for cleaning of RPD.