L'équipe s Dr. Zdenko Machala et Dr. Karol Hensel de la Division de Physique Environnementale, Faculté de Mathématique, Physique et Informatique de l'Université Coménius mène d'importantes recherches sur la physique du plasma et ses applications. Ses activités sont concentrées sur la génération de plasma de basse température, mais riche en électrons rapides. Ce type de plasma peut permettre un grand nombre d'applications : assainissement de l'air ou de l'eau, stérilisation de matériel chirurgical.
Dépollution de l'air et de l'eau, stérilisation de dispositifs médicaux, décontamination de déchets dangereux constituent des défis très actuels. Notamment parce qu'ils font souvent appel à des technologies coûteuses. Le plasma représente, dans ces domaines, une alternative meilleure marché et souvent plus efficace. Pour le domaine médical, il peut être utilisé afin de rendre stériles des instruments fragiles en plastique comme les cathéters ou les endoscopes. il présente ainsi une autre solution face aux méthodes classiques agissant avec la chaleur qui ne fonctionnent pas dans ces cas.
Le plasma, quatrième état de la matière, se forme lorsqu'un gaz composé de molécules et d'atomes électriquement neutres est soumis à un fort champ électrique ou à une température élevée. Atomes et molécules perdent des électrons et il y a alors création de particules chargées : ions et électrons interagissent électriquement. Le plasma, en plus des propriétés des gaz (il peut être comprimé et détendu), est aussi, comme les métaux, un conducteur électrique.
Le but des activités menées par cette équipe de chercheurs est de parvenir à la production de plasma dans les conditions atmosphériques, pour diverses applications environnementales et biomédicales. L'enjeu est de taille : souvent, le plasma est produit dans un environnement de haute température (5000°C ou plus). Autrement, il ne contient pas assez d'électrons. L'équipe produit un plasma "froid", riche en électrons, utilisable pour la dépollution de l'air : les électrons permettent de détruire les molécules des polluants. Dans le cas de la stérilisation des instruments médicaux ou à la décontamination de l'eau, il permet (grâce à la production d'électrons à basse température) la destruction à moindre coût des bactéries, sans utiliser de produits chimiques.
Le plasma "froid" est produit en forçant les électrons à se déplacer rapidement, alors qu'indirectement toutes les autres particules sont forcées à se déplacer plus lentement. Les électrons sont plus petits et plus légers que les autres particules ; on peut imaginer les électrons comme des grains de riz, alors que les autres particules seraient des balles de piscine (pool balls). Les électrons - grains de riz - sont accélérés par un fort champ électrique. Ces particules en déplacement à grande vitesse sont les acteurs principaux de la destruction des molécules, de la lumière émise et de presque toutes les autres propriétés du plasma "froid". Les autres particules, plus grosses, - balles de piscine - sont gardées à basse température et se déplacent donc plus lentement. Un exemple simple consiste à imaginer un cathéter en plastique placé dans le plasma pour être stérilisé. Il résisterait aux grains de riz frappant sa surface à grande vitesse mais serait endommagé par des balles de piscine allant à cette même vitesse. D'où l'importance de ralentir les grosses particules.
La production habituelle de plasma utilise les décharges électriques. Les expériences de l'équipe de recherche se concentrent sur la production de plasma "froid" par divers types de décharges : décharges couronnes, décharges par étincelles ou décharges luminescentes. Par exemple, l'étincelle passagère peut être apparentée à une petit "foudre de laboratoire". Une haute tension de quelques milliers de volts est appliquée entre les électrodes à travers une couche d'air de quelques millimètres ou centimètres. Si la tension est assez grande, la couche d'air laisse se former un éclair de plasma. En jouant sur les paramètres électriques, la géométrie et le matériau des électrodes, il est possible de contrôler la température du plasma, sa forme et ses autres propriétés. En cas de stérilisation des surfaces et des matériels en matière plastique fragile, les objets sont placés sur l'une des électrodes et soumis aux décharges plasma. La décontamination de l'eau, elle, se fait en immergeant directement l'une des électrodes.
L'utilisation de diverses méthodes de diagnostique, comme l'émission ou l'absorption spectroscopique, permet d'avoir un aperçu partiel des processus élémentaires qui ont lieu dans le plasma. Il est possible d'identifier les particules excitées, les ions et les radicaux responsables de l'amorce des réactions chimiques complexes conduisant à la destruction des polluants. L'interaction du plasma avec des organismes vivants (comme les bactéries) pour des décontaminations est encore plus complexe : des méthodes de diagnostique biophysique aident à identifier les mécanismes clés de la réduction microbienne. La compréhension de chimie plasma et des processus mis en jeu est une avancée pour la recherche fondamentale comme pour les applications en découlant.
L'objectif principal de l'équipe de recherche de la Division Physique Environnementale est l'étude des processus fondamentaux qui ont lieu dans le plasma froid. Des réponses ont déjà été trouvées concernant la production, le contrôle du plasma froid, sa richesse en électrons. Ces activités de recherche fondamentale s'accompagnent également, suite à une demande industrielle, de recherches conduisant à de nouvelles solutions techniques pour la décontamination de gaz ou eaux pollués, ainsi que pour la stérilisation des instruments médicaux.
- Zdenko Machala, machala@fmph.uniba.sk, francophone Réréfences : - Z. Machala, E. Marode, M. Morvová, P. Lukác: DC glow discharges in atmospheric air as a source for VOC abatement, Plasma Process. Polym. 2 (2005) 152-161 - Z. Machala, I. Jedlovskoe, V. Martisovits: DC discharges in atmospheric air and their transitions, IEEE Trans. Plasma Sci. 36 (2008) 918-919 - Z. Machala, M. Janda, K. Hensel, I. Jedlovskoe, L. Lestinská, V. Foltin, V. Martisovits, M. Morvová: Emission spectroscopy of atmospheric pressure plasmas for bio-medical and environmental applications, J. Molec. Spectrosc. 243 (2007) 194-201 - Z. Machala, E. Marode, C.O. Laux, C.H. Kruger: DC glow discharges in atmospheric pressure air, J. Advanced Oxid. Technol. 7 (2004) 133-137 - Z. Machala, I. Jedlovskoe, B. Pongrác, L. Chládeková, D. Giertl, L. ikurová: Various DC discharges for sterilization at atmospheric pressure, 11th Int. Symp. High Pres. Low Temp. Plasma Chemistry HAKONE XI, Oleron, France, 7-12 September 2008, p. 530-534
