Microplasma

Cuando aumenta la presión del medio gaseoso en el que se genera el microplasma, la distancia entre los electrodos debe disminuir para mantener el mismo voltaje de ruptura. En tales descargas de microcátodo hueco, el producto de la presión y la distancia varía desde fracciones de Torr cm hasta aproximadamente 10 Torr cm. A valores inferiores a 5 Torr cm, las descargas se denominan "predescargas" y son descargas luminiscentes de baja intensidad. Por encima de 10 Torr cm, la descarga puede volverse incontrolable y extenderse desde el ánodo a ubicaciones aleatorias dentro de la cavidad. ^{[ 1 ]} Investigaciones posteriores de David Staack proporcionaron un gráfico de distancias de electrodos, voltajes y gases portadores ideales probados para la generación de microplasma. ^{[ 2 ]}

Los dieléctricos son malos conductores eléctricos, pero soportan campos electrostáticos y polarización eléctrica. Los microplasmas de descarga de barrera dieléctrica se crean típicamente entre placas metálicas, recubiertas por una fina capa de material dieléctrico o altamente resistivo. La capa dieléctrica desempeña un papel importante en la supresión de la corriente: la capa del cátodo/ánodo se carga mediante iones/electrones positivos entrantes durante la aplicación de un ciclo positivo de CA, lo que reduce el campo eléctrico y dificulta el transporte de carga hacia el electrodo. La descarga de barrera dieléctrica también tiene una gran relación superficie-volumen, lo que promueve las pérdidas por difusión y mantiene una baja temperatura del gas. Cuando se aplica un ciclo negativo de CA, los electrones son repelidos del ánodo y están listos para colisionar con otras partículas.  Se requieren frecuencias de 1000 Hz o más para mover los electrones lo suficientemente rápido como para crear un microplasma, pero frecuencias excesivas pueden dañar el electrodo (~50  kHz). Aunque la descarga de barrera dieléctrica se presenta en diversas formas y dimensiones, cada descarga individual tiene una escala micrométrica.

La corriente alterna (CA) y la alta frecuencia se utilizan a menudo para excitar dieléctricos, en lugar de la corriente continua (CC). Por ejemplo, en la CA existen ciclos positivos y negativos en cada periodo. Durante el ciclo positivo, los electrones se acumulan en la superficie del dieléctrico. Por otro lado, el ciclo negativo repele los electrones acumulados, provocando colisiones en el gas y la formación de plasma. Para generar un microplasma, se requiere un rango de frecuencia de entre 1000  Hz y 50 000  Hz, como se mencionó anteriormente. Debido a su pequeña masa, los electrones pueden absorber el cambio repentino de energía y excitarse; sin embargo, las partículas más grandes (átomos, moléculas e iones) no pueden seguir la rápida transición, manteniendo así la temperatura del gas baja.

Basándose en amplificadores de transistores, se utilizan fuentes de RF (radiofrecuencia) y microondas de baja potencia para generar un microplasma. La mayoría de las soluciones funcionan a 2,45  GHz. Mientras tanto, se ha desarrollado una tecnología que proporciona, por un lado, la ignición (generación de alto voltaje) y, por otro, un funcionamiento de alta eficiencia (adaptación de la impedancia del plasma y de la guía de ondas) con la misma red electrónica y transformador de impedancia. ^{[ 3 ]}

Mediante el uso de láseres, los sustratos sólidos pueden convertirse directamente en microplasmas. Los objetivos sólidos son impactados por láseres de alta energía, generalmente láseres de gas, que se pulsan en periodos de tiempo que van desde picosegundos hasta femtosegundos ( sincronización de modos ). Se han realizado experimentos exitosos con láseres de Ti:Sm, KrF y YAG, que pueden aplicarse a una variedad de sustratos como litio, germanio , plásticos y vidrio. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

En la pantalla plana de un panel de plasma se encuentran microplasmas generados artificialmente. Esta tecnología utiliza pequeñas celdas y contiene gases ionizados con carga eléctrica. En este panel de plasma, millones de diminutas celdas llamadas píxeles se encuentran confinadas para formar una imagen visual. En los paneles de plasma, una cuadrícula de electrodos en los ejes X e Y, separada por una capa dieléctrica de MgO y rodeada por una mezcla de gases inertes (como argón, neón o xenón), permite el control de cada elemento de la imagen. Su funcionamiento se basa en el principio de que al hacer pasar un alto voltaje a través de un gas a baja presión se genera luz. En esencia, un panel de plasma puede considerarse como una matriz de pequeños tubos fluorescentes controlados de forma sofisticada. Cada píxel consta de un pequeño condensador con tres electrodos, uno para cada color primario (algunas pantallas más recientes incluyen un electrodo para el amarillo). Una descarga eléctrica a través de los electrodos provoca que los gases nobles sellados en la celda se conviertan en plasma al ionizarse. Al ser eléctricamente neutro, contiene cantidades iguales de electrones e iones y, por definición, es un buen conductor. Una vez energizadas, las células de plasma liberan luz ultravioleta (UV) que incide sobre los fósforos rojos, verdes y azules situados en la superficie de cada píxel, excitándolos y provocando que brillen.

El equipo de Gary Eden y Sung-Jin Park es pionero en el uso de microplasmas para iluminación general (así como fuente de UV). Su aparato utiliza muchos generadores de microplasma en una gran matriz, que emiten luz a través de una ventana transparente. A diferencia de las lámparas fluorescentes, que requieren que los electrodos estén muy separados en una cavidad cilíndrica y en condiciones de vacío, las fuentes de luz de microplasma pueden colocarse en muchas formas y configuraciones diferentes, y generan calor. Esto contrasta con las lámparas fluorescentes más comunes, que requieren una atmósfera de gas noble (generalmente argón), donde la formación de excímeros y la descomposición radiativa resultante impactan un recubrimiento de fósforo para crear luz. ^{[ 7 ]} También se están produciendo e investigando fuentes de luz de excímeros . La condición estable y de no equilibrio de los microplasmas favorece las colisiones de tres cuerpos que pueden conducir a la formación de excímeros. El excímero , una molécula inestable producida por colisiones de átomos excitados, tiene una vida muy corta debido a su rápida disociación. Al descomponerse, los excímeros liberan distintos tipos de radiación cuando los electrones descienden a niveles de energía inferiores. Una aplicación, desarrollada por el Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnología Avanzada de Pantallas de Hyundai y la Universidad de Illinois, consiste en el uso de fuentes de luz de excímeros en pantallas planas. La tecnología ha evolucionado hasta convertirse en una fuente compacta y plana de longitudes de onda UV y UV de vacío para diversas aplicaciones.

Los microplasmas se utilizan para destruir compuestos orgánicos volátiles . Por ejemplo, la descarga de electrodo de plasma capilar (CPE) se utilizó para destruir eficazmente compuestos orgánicos volátiles como benceno , tolueno , etilbenceno , xileno , etileno , heptano , octano y amoníaco en el aire circundante para su uso en sistemas avanzados de soporte vital diseñados para entornos cerrados. Las eficiencias de destrucción se determinaron en función de la densidad de energía del plasma, la concentración inicial del contaminante, el tiempo de residencia en el volumen del plasma, el volumen del reactor y el número de contaminantes en la corriente de flujo de gas. La destrucción completa de los COV se puede lograr en el reactor anular para energías específicas de 3 J cm−3 y superiores. Además, se requieren energías específicas cercanas a 10 J cm−3 para lograr una eficiencia de destrucción comparable en el reactor de flujo cruzado. Esto indica que la optimización de la geometría del reactor es un aspecto crítico para lograr eficiencias de destrucción máximas. Koutsospyros et al. (2004, 2005) y Yin et al. (2003) informaron resultados sobre estudios de destrucción de COV utilizando reactores de plasma CPE. Todos los compuestos estudiados alcanzaron eficiencias máximas de destrucción de COV entre el 95 % y el 100 %. La eficiencia de destrucción de COV aumentó inicialmente con la energía específica, pero se mantuvo en valores de energía específica que dependen del compuesto. Se hizo una observación similar para la dependencia de la eficiencia de destrucción de COV con el tiempo de residencia. La eficiencia de destrucción aumentó con el incremento de la concentración inicial del contaminante. Para compuestos químicamente similares, se encontró que la eficiencia máxima de destrucción estaba inversamente relacionada con la energía de ionización del compuesto y directamente relacionada con el grado de sustitución química. Esto puede sugerir que los sitios de sustitución química ofrecen la mayor actividad química inducida por plasma.

El pequeño tamaño y la modesta potencia requerida para los dispositivos de microplasma permiten su uso en diversas aplicaciones de detección ambiental y la identificación de concentraciones traza de especies peligrosas. Los microplasmas son lo suficientemente sensibles como para funcionar como detectores, capaces de distinguir entre cantidades excesivas de moléculas complejas. CM Herring y sus colegas de Caviton Inc. simularon este sistema acoplando un dispositivo de microplasma a una columna de cromatografía de gases (GC) comercial. El dispositivo de microplasma se ubica a la salida de la columna de GC, la cual registra la intensidad de fluorescencia relativa de fragmentos de disociación atómica y molecular específicos. Este aparato tiene la capacidad de detectar concentraciones mínimas de moléculas tóxicas y peligrosas para el medio ambiente. También puede detectar un amplio rango de longitudes de onda y la firma temporal de los cromatogramas, lo que permite identificar las especies de interés. Para la detección de especies menos complejas, la clasificación temporal realizada por la columna de GC no es necesaria, ya que la observación directa de la fluorescencia producida en el microplasma es suficiente.

Los microplasmas se utilizan para la formación de ozono a partir de oxígeno atmosférico. Se ha demostrado que el ozono (O₃ _{) es un buen desinfectante y agente de tratamiento de agua, capaz de descomponer materiales orgánicos e inorgánicos. El ozono no es potable y se convierte en oxígeno diatómico, con una vida media de aproximadamente 3 días en aire a temperatura ambiente (unos 20} ^° C). En agua, sin embargo, el ozono tiene una vida media de tan solo 20 minutos a la misma temperatura de 20 ° ^C . Degremont Technologies (Suiza) produce matrices de microplasmas para la producción comercial e industrial de ozono para el tratamiento de agua. Al hacer pasar oxígeno molecular a través de una serie de barreras dieléctricas, mediante lo que Degremont denomina Sistema de Espacio Inteligente (IGS), se produce una concentración creciente de ozono modificando el tamaño del espacio y los recubrimientos utilizados en los electrodos situados más adelante en el sistema. El ozono se inyecta directamente en el agua para hacerla potable (apta para el consumo). A diferencia del cloro, que todavía se utiliza en muchos sistemas de purificación de agua para tratarla, el ozono no permanece en el agua durante periodos prolongados. Dado que el ozono se descompone en agua a temperatura ambiente con una vida media de 20 minutos, no produce efectos duraderos que puedan ser perjudiciales.

Los microplasmas sirven como fuentes energéticas de iones y radicales, deseables para activar reacciones químicas. Se utilizan como reactores de flujo que permiten el paso de gases moleculares, induciendo modificaciones químicas mediante descomposición molecular. Los electrones de alta energía de los microplasmas facilitan la modificación química y la reformación de combustibles de hidrocarburos líquidos para producir combustible para pilas de combustible. Becker y sus colaboradores utilizaron un único reactor de microplasma de flujo continuo excitado por CC para generar hidrógeno a partir de una mezcla de amoníaco y argón a presión atmosférica, para su uso en pilas de combustible pequeñas y portátiles. ^{[ 8 ]} Lindner y Besser experimentaron con la reformación de hidrocarburos modelo, como metano, metanol y butano, en hidrógeno para alimentar pilas de combustible. Su novedoso reactor de microplasma consistía en una descarga de cátodo microhueco con un canal microfluídico. Los balances de masa y energía de estos experimentos revelaron conversiones de hasta casi el 50%, pero la conversión de la energía eléctrica de entrada en entalpía de reacción química fue solo del orden del 1%. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Aunque mediante el modelado de la reacción de reformado se encontró que la cantidad de energía eléctrica de entrada para la conversión química podría aumentar mejorando el dispositivo y los parámetros del sistema. ^{[ 11 ]}

Se está investigando el uso de microplasmas para la síntesis de macromoléculas complejas, así como para la adición de grupos funcionales a las superficies de otros sustratos. Un artículo de Klages et al. describe la adición de grupos amino a las superficies de polímeros después del tratamiento con un aparato de descarga de CC pulsada que utiliza gases que contienen nitrógeno. Se encontró que los microplasmas de gas amoníaco añaden un promedio de 2,4 grupos amino por nanómetro cuadrado de una membrana de nitrocelulosa y aumentan la fuerza con la que las capas del sustrato pueden unirse. El tratamiento también puede proporcionar una superficie reactiva para biomedicina, ya que los grupos amino son extremadamente ricos en electrones y energéticos. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Mohan Sankaran ha trabajado en la síntesis de nanopartículas utilizando una descarga de CC pulsada. Su equipo de investigación ha descubierto que al aplicar un chorro de microplasma a una solución electrolítica sumergida en un ánodo de oro o plata, se producen los cationes relevantes. Estos cationes pueden capturar electrones suministrados por el chorro de microplasma, lo que da como resultado la formación de nanopartículas. La investigación muestra que en la solución se observan más nanopartículas de oro y plata que de las sales resultantes que se forman a partir de la solución conductora ácida. ^{[ 14 ]}

Se están considerando aplicaciones de microplasma en investigación. El dispositivo de regeneración cutánea por plasma (RPP) consta de un generador de radiofrecuencia ultraalta que excita un resonador sintonizado e imparte energía a un flujo de gas nitrógeno inerte dentro de la pieza de mano. El plasma generado tiene un espectro de emisión óptica con picos en el rango visible (principalmente índigo y violeta) y en el infrarrojo cercano. Se utiliza nitrógeno como fuente gaseosa porque es capaz de eliminar el oxígeno de la superficie de la piel, minimizando el riesgo de puntos calientes impredecibles, carbonización y formación de cicatrices. Cuando el plasma impacta la piel, la energía se transfiere rápidamente a la superficie cutánea, provocando un calentamiento instantáneo de forma controlada y uniforme, sin un efecto explosivo sobre el tejido ni la eliminación de la epidermis. En las muestras previas al tratamiento, la zona de colágeno muestra una densa acumulación de elastina, pero en las muestras posteriores al tratamiento, esta zona contiene elastina menos densa con un colágeno nuevo entrelazado significativo. El tratamiento repetido con PSR de baja energía es una modalidad eficaz para mejorar la discromía, la suavidad y la flacidez de la piel asociadas al fotoenvejecimiento. El análisis histológico de las muestras posteriores al tratamiento confirma la producción de nuevo colágeno y la remodelación de la arquitectura dérmica. Los cambios consisten en eritema y descamación epidérmica superficial sin eliminación completa, generalmente completa a los 4 o 5 días. Bogle, Melissa; et  al. (2007). "Evaluación de la tecnología de regeneración cutánea con plasma en el rejuvenecimiento facial completo de baja energía" . Arch Dermatol . 143 (2): 168– 174. doi : 10.1001/archderm.143.2.168 . PMID 17309997 . 

La investigación activa sobre la pulverización catódica por microplasma para la deposición de películas delgadas de interconexión conductora plantea una alternativa potencial de fabricación aditiva a los costosos estándares de producción de la industria de semiconductores. Los nuevos micropulverizadores, ^{[ 15 ]} que operan con un hilo catódico alimentado continuamente, emplean reactores de cabezal de impresión que consisten en el extremo del hilo, dos electrodos con polarización positiva y dos electrodos de enfoque opuestos con carga negativa para generar un entorno de microplasma dentro de un espacio de separación entre el objetivo y el sustrato de submilímetro. Como en la pulverización catódica tradicional, el plasma inducido bombardea la superficie expuesta del objetivo, expulsando átomos individuales que luego inciden sobre la superficie del sustrato, formando una película delgada conductora. En contraste con las aplicaciones tradicionales, la pulverización catódica por microplasma ofrece numerosas ventajas, incluyendo requisitos de posprocesamiento limitados o nulos, ya que el posicionamiento controlado del sustrato puede producir patrones precisos sin necesidad de enmascaramiento y grabado fotolitográfico posterior, y versatilidad en la forma del sustrato, ya que los micropulverizadores no están restringidos a la deposición planar. Además, las condiciones atmosféricas que permite este método eliminan la considerable barrera de costos que supone la necesidad de los costosos y complejos sistemas de vacío en los que se realizan las operaciones de pulverización catódica actuales. Hasta la fecha, esta técnica no ha logrado alcanzar la resolución de la microelectrónica estándar de la industria, ^{[ 15 ]} con resultados de ancho de trayectoria máximo de aproximadamente 9 μm, pero el potencial observado para mejorar el flujo de gas de proceso y las posibles mejoras en el posprocesamiento podrían ayudar a cerrar la brecha. Dado el costo relativamente bajo del método y su amplia versatilidad, lograr una calidad de producción a la par con los estándares de la industria moderna podría impulsar una revolución en la electrónica personalizable en masa.

Los científicos descubrieron que los microplasmas son capaces de inactivar las bacterias que causan caries y enfermedades periodontales. ^{[ 16 ]}Al dirigir haces de microplasma de baja temperatura hacia la estructura de tejido calcificado debajo del esmalte dental, llamada dentina, se reduce drásticamente la cantidad de bacterias dentales y, por consiguiente, la infección. Este aspecto del microplasma podría permitir a los dentistas utilizar esta tecnología para destruir bacterias en las caries dentales en lugar de recurrir a métodos mecánicos. Los desarrolladores afirman que los dispositivos de microplasma permitirán a los dentistas tratar eficazmente las enfermedades bucales con poco dolor para sus pacientes. Estudios recientes demuestran que el microplasma puede ser un método muy eficaz para controlar los biofilms orales. Los biofilms (también conocidos como mucosidad) son comunidades bacterianas tridimensionales altamente organizadas. La placa dental es un ejemplo común de biofilm oral. Es la principal causa tanto de caries como de enfermedades periodontales como la gingivitis y la periodontitis. En la Universidad del Sur de California, Parish Sedghizadeh, director del Centro de Biofilms de la USC, y Chunqi Jiang, profesor asistente de investigación en el Departamento de Ingeniería Eléctrica-Electrofísica Ming Hsieh, colaboran con investigadores de la Escuela de Ingeniería Viterbi en la búsqueda de nuevas formas de combatir estas infecciones bacterianas. Sedghizadeh explicó que la matriz viscosa de los biofilms actúa como una protección adicional contra los antibióticos tradicionales. Sin embargo, el estudio de los centros confirma que los biofilms cultivados en el conducto radicular de dientes humanos extraídos pueden destruirse fácilmente mediante la aplicación de microplasma. La microscopía de emisión de plasma obtenida durante cada experimento sugiere que el oxígeno atómico producido por el microplasma es responsable de la inactivación de las bacterias. Sedghizadeh sugirió entonces que los radicales libres de oxígeno podrían alterar la membrana celular de los biofilms y provocar su descomposición. Según su investigación en curso en la USC, Sedghizadeh y Jiang han descubierto que el microplasma no es dañino para los tejidos sanos circundantes y confían en que la tecnología de microplasma pronto se convertirá en una herramienta revolucionaria en la industria médica. JK Lee, junto con otros científicos en este campo, han descubierto que el microplasma también se puede utilizar para blanquear los dientes. Esta especie reactiva puede blanquear eficazmente los dientes junto con solución salina o geles blanqueadores que contienen peróxido de hidrógeno. Lee y sus colegas experimentaron con este método, examinando cómo el microplasma junto con el peróxido de hidrógeno afecta a los dientes humanos manchados de sangre. Estos científicos tomaron cuarenta dientes humanos extraídos de una sola raíz, manchados de sangre, y los dividieron aleatoriamente en dos grupos de veinte. El grupo uno recibió peróxido de hidrógeno al 30% activado por microplasma durante treinta minutos en una cámara pulpar, mientras que el grupo dos recibió solo peróxido de hidrógeno al 30% durante treinta minutos en la cámara pulpar y la temperatura se mantuvo a treinta y siete grados Celsius para ambos grupos. Después de que se realizaron las pruebas,Descubrieron que el tratamiento con microplasma y peróxido de hidrógeno al 30% tuvo un efecto significativo en la blancura de los dientes del grupo uno. Lee y sus colaboradores concluyeron que la aplicación de microplasma junto con peróxido de hidrógeno es un método eficaz para blanquear los dientes manchados debido a su capacidad para eliminar las proteínas de la superficie dental y al aumento en la producción de hidróxido.

El microplasma mantenido a temperatura ambiente puede destruir bacterias, virus y hongos depositados en las superficies de instrumentos quirúrgicos y dispositivos médicos. Los investigadores descubrieron que las bacterias no pueden sobrevivir en el entorno hostil creado por el microplasma. Este consiste en especies químicamente reactivas como el hidroxilo (OH) y el oxígeno atómico (O), que pueden eliminar bacterias dañinas mediante oxidación. La oxidación de los lípidos y las proteínas que componen la membrana celular puede provocar la ruptura de la membrana y la desactivación de las bacterias. El microplasma puede entrar en contacto con la piel sin dañarla, lo que lo hace ideal para desinfectar heridas. "Se dice que los plasmas médicos se encuentran en el rango óptimo: lo suficientemente calientes para producir un tratamiento eficaz, pero lo suficientemente fríos para no dañar los tejidos" (Larousi, Kong 1). Los investigadores han descubierto que el microplasma se puede aplicar directamente a los tejidos vivos para desactivar patógenos. Los científicos también han descubierto que el microplasma detiene el sangrado sin dañar el tejido sano, desinfecta heridas, acelera la cicatrización y elimina selectivamente algunos tipos de células cancerosas. En dosis moderadas, los microplasmas pueden destruir patógenos. En dosis bajas, pueden acelerar la replicación celular, un paso importante en el proceso de cicatrización de heridas. La capacidad del microplasma para eliminar bacterias y acelerar la replicación de células de tejido sano se conoce como el proceso de "plasma letal/plasma curativo", lo que impulsó a los científicos a experimentar con el uso de microplasmas para el cuidado de heridas. Las pruebas preliminares también han demostrado el éxito en el tratamiento de algunos tipos de heridas crónicas.

Dado que los microplasmas desactivan las bacterias, podrían tener la capacidad de destruir células cancerosas. Jean Michel Pouvesle trabaja en la Universidad de Orléans, en Francia, en el Grupo de Investigación y Estudios sobre Mediadores de la Inflamación (GREMI), experimentando con los efectos del microplasma en células cancerosas. Pouvesle, junto con otros científicos, ha creado una descarga de barrera dieléctrica y una pistola de plasma para el tratamiento del cáncer, en la que se aplicará microplasma tanto en experimentos in vitro como in vivo. Esta aplicación revelará el papel de las especies reactivas de oxígeno (ROS), el daño al ADN, la modificación del ciclo celular y la inducción de la apoptosis. Los estudios muestran que los tratamientos con microplasma pueden inducir la muerte celular programada (apoptosis) en las células cancerosas, deteniendo la rápida reproducción de estas células con escaso daño a los tejidos humanos vivos. GREMI realiza numerosos experimentos con microplasmas en oncología; su primer experimento aplicó microplasma a tumores de ratones que crecían bajo la superficie de la piel. Durante este experimento, los científicos no encontraron cambios ni quemaduras en la superficie de la piel. Tras un tratamiento con microplasma de cinco días, los resultados mostraron una disminución significativa en el crecimiento del glioma U87 (tumor cerebral), en comparación con el grupo de control al que no se le aplicó microplasma. GREMI realizó estudios in vitro adicionales con las líneas celulares de glioma U87 (tumores cerebrales) y HCT116 (tumor de colon) a las que se les aplicó microplasma. Este tratamiento con microplasma demostró ser un método eficaz para destruir células cancerosas tras su aplicación durante periodos de unas pocas decenas de segundos. Se están llevando a cabo estudios adicionales sobre los efectos del tratamiento con microplasma en oncología; esta aplicación tendrá un impacto significativo en el campo de la medicina. ^{[ 17 ]}