Plasma macht 99% der Materie im Universum aus, darunter auch Sterne und die Sonne. Auf der Erde zeigt sich Plasma in wunderschönen Mustern am Himmel – Polarlichter und Blitze. Wir sehen es auch, wenn wir Neonlichter, Plasmabälle, Plasmafernseher, manche Autoscheinwerfer und mehr ansehen. Plasma wird auch als vierter Materiezustand bezeichnet und spielt eine Schlüsselrolle in immer mehr wissenschaftlichen Bereichen, von Materialien bis hin zum Gesundheitswesen.
Plasma ist das Ergebnis einiger Bestandteile und einer Reaktion auf atomarer Ebene: Plasma kann im Labor erzeugt werden, indem ein Gas auf eine extrem hohe Temperatur erhitzt wird. Dabei kommt es zu so heftigen Zusammenstößen zwischen den Atomen und Molekülen des Gases, dass Elektronen herausgerissen werden und die für die Herstellung von Plasma benötigten Elektronen und Ionen entstehen.
Je nach verwendetem Gas können verschiedene Farben des Plasmas erzeugt werden. Argon ist das Gas, mit dem das berühmte violett leuchtende Plasma erzeugt wird.
Während Plasma im Weltraum natürlich vorkommt und auf der Erde meist von Menschenhand erzeugt werden muss, ist es auf der Erde tatsächlich einfacher zu erhalten. Aufgrund der kontrollierten Bedingungen gibt es weniger Zusammenstöße zwischen den Atomen, was die Aufrechterhaltung des „künstlichen“ Plasmas einfacher macht als die des „natürlichen“ Plasmas im Weltraum.
Plasma wird in der Wissenschaft immer häufiger eingesetzt. Neben einer breiten Palette von Anwendungen in den Materialwissenschaften hat es vielversprechende Einsatzmöglichkeiten in der Krebsbehandlung, der Hautbehandlung und der Wunddesinfektion gezeigt. Es kann auch als Vektor verwendet werden, um Moleküle auf verschiedenen Oberflächen zu beschichten, um die Eigenschaften zu verbessern und/oder zu verändern, sogar bei Zahnimplantaten, wo es die Biokompatibilität verbessert und eine antibakterielle Wirkung hat.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verwenden es zum Beispiel, um Linien in die Oberfläche von Solarzellen zu ätzen, da es möglich ist, Linien zu ziehen, die nur wenige Nanometer breit sind, und Material mit einer Dicke von wenigen Nanometern aufzubringen. Es wird von allen Halbleiterherstellern für die Produktion von Chips und Mikroprozessoren verwendet, die in jedem Smartphone, Auto, Computer und mehr zu finden sind.
Haltbarere Unterwasserventile, antibakterielle Beschichtungen für bessere Zahnimplantate, Goldnanopartikel für die 3D-Fertigung, Beschichtungen für selbstreinigende Brillengläser, superschwarze Beschichtungen für die Weltraumforschung, hydrophobe Beschichtungen – das sind nur Beispiele für die vielen Bereiche, in denen Forscherinnen und Forscher in Luxemburg Plasma einsetzen!
Physical vapour deposition – mit Plasma Materialien Beschichten
Wie beschichten Wissenschaftler Materialien mit Hilfe von Plasma? Mit einer Technik, die physikalische Gasphasenabscheidung genannt wird, platzieren sie das zu beschichtende Material in einer speziellen Maschine, von denen einige in Luxemburg entwickelt wurden, bei der Plasma and Process Engineering Group am LIST.
Wir nehmen die Ionen des Plasmas – in der Regel Stickstoff- oder Argongas – und sie zersplittern die Materie und lagern sie auf dem zu beschichtenden Material ab. Es wird hauptsächlich für harte Beschichtungen verwendet, um sie bei hohen Temperaturen oxidationsbeständig zu machen.“
Erklärt der Physiker Simon Bulou, der seit einigen Jahren in der Gruppe forscht.
Plasmaroboter hilft bei der Beschichtung von Zahnimplantaten
Physiker/innen, Chemiker/innen und Ingenieur/innen, die mit Plasma arbeiten, benutzen es nicht nur, um Dinge zu beschichten – ein großer Teil ihrer Arbeit besteht auch darin, die Maschinen zu verbessern, die bei ihren Projekten eingesetzt werden. Manche für die Forschung, andere, um industrielle Prozesse effizienter zu machen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Plasma Process Engineering Group haben einen großen Teil der Maschinen im Labor selbst zusammengebaut oder verbessert.
Eine davon ist ein Roboterarm mit einem Plasmabrenner – der Plasma Robot. Er ermöglicht es, komplexe Objekte mit vielen Details zu beschichten – wie Zahnimplantate oder Schrauben, die in die Knochenstruktur eingesetzt werden. Die Forscher setzen den Plasma Robot zum Beispiel ein, um Zahnimplantate mit einer antibakteriellen Beschichtung zu versehen, um die Knochenstruktur zu verbessern und eine Abstoßung des Implantats zu vermeiden.
Flüssige Gold-Nanopartikel für eine sicherere 3D-Fertigung
Nanopartikel spielen beim 3D-Druck eine wichtige Rolle, aber sie sind nicht gerade gesund und werden normalerweise aus Pulver hergestellt. Der LIST-Forscher Simon Bulou hat für ein Projekt seinen eigenen atmosphärischen Plasmabrenner gebaut, um sie direkt aus einer flüssigen Lösung auf Oberflächen zu erzeugen und zu immobilisieren.
Das Ziel ist die Herstellung von Gold- und Titan-Nanopartikeln für die additive Fertigung, das „trendige Zeug“, wie Forscher Simon betont – additive Fertigung ist auch als 3D-Druck bekannt, also die Konstruktion eines dreidimensionalen Objekts aus einem digitalen 3D-Modell.
Goldnanopartikel haben in vielen Bereichen großes Potenzial gezeigt, z. B. bei der Verbesserung der Medikamentenverabreichung in unserem System, bei der Verbesserung von Solarzellen, bei der Wasserdekontaminierung und vielem mehr. Ihr Potenzial war bisher dadurch begrenzt, dass sie unpraktisch und nicht sicher genug waren – wenn man sie herstellt und direkt in das Endprodukt einbaut, werden diese Hindernisse beseitigt.
Gleichzeitig abweisen und sammeln für besseres 5G
Eine andere im Labor hergestellte Beschichtung erzeugt eine Schicht, die sowohl extrem wasserabweisend als auch wassersammelnd ist. Schwer vorstellbar? Guck mal unten!
Das Labor arbeitet an einem Projekt mit einer direkten Anwendung: 5G-Antennen senden Mikrowellen aus, die Wasser absorbieren, was die Signalqualität beeinträchtigt. Dank dieser Beschichtung wird dies kein Problem mehr sein!
Über die Plasma Process Engineering Group
Die Plasma Process Engineering Group am LIST, die von Patrick Choquet geleitet wird, entwickelt grundlegende und technologische Fachkenntnisse im Bereich der Verfahrenstechnik für fortschrittliche Oberflächenbeschichtungen. Die Gruppe konzentriert sich auf ihre anerkannte Expertise in der Forschung und Entwicklung von thermischen und Plasma-Oberflächenmodifikationen für die Synthese von funktionalen Polymer-Dünnschichten, funktionalen anorganischen Beschichtungen oder funktionalen/intelligenten Oberflächen. Die FNR hat im Laufe der Jahre viele ihrer Forschungsprojekte unterstützt. Das Team hat ständig etwa 10 bis 15 laufende Forschungsprojekte, von denen viele durch die Förderung der FNR ermöglicht wurden.
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