Plasma

Si definisce plasma (o stato plasmatico) è uno degli stati di aggregazione della materia costituito da una miscela quasi-neutra di elettroni liberi e ioni (atomici o molecolari) globalmente a carica neutra (ossia che la carica elettrica totale è nulla) tale da formare un gas ionizzato. Il grado di ionizzazione di un plasma dominato dai processi collisionali dipende dalla natura del gas, dalla concentrazione degli atomi che lo compongono e dalla sua temperatura.

Il termine “plasma” fu utilizzato per la prima volta nel 1927 dall’americano Irving Langmuir, vincitore del premio Nobel per la Fisica, per indicare un gas ionizzato il cui comportamento è assimilabile a quello di un fluido che trasporta elettroni, ioni e impurezze. Il termine gli fu suggerito dall’analogia con il plasma sanguigno, termine introdotto nel secolo precedente dal medico ceco Purkinje per indicare il fluido che trasporta globuli bianchi, globuli rossi e sostanze nutritive.

Il termine “ionizzato” indica che una frazione significativamente grande di elettroni è stata strappata dai rispettivi atomi. Questa caratteristica evidenzia una differenza importante rispetto ai gas ordinari, in quanto le cariche elettriche libere fanno sì che il plasma sia un buon conduttore di elettricità, e che risponda fortemente ai campi elettromagnetici.

Al crescere della temperatura la materia si trasforma, cambiando il suo stato di aggregazione. Il plasma può essere considerato il quarto stato della materia, oltre allo stato solido, liquido e aeriforme; si ottiene fornendo alle molecole di un gas, a una data pressione, energia termica sufficiente a dissociare le molecole e ionizzare gli atomi e le molecole del gas stesso.

La transizione tra stato gassoso e plasma non può però essere considerata una transizione di fase in senso termodinamico perché avviene gradualmente all’aumentare della temperatura.

Il 99.9% della materia visibile nell’Universo si trova allo stato di plasma: l’interno delle stelle, lo spazio interstellare, ionosfera, aurore boreali, fulmini, fiamme. Ai plasmi presenti in natura si aggiungono quelli generati in laboratorio: tubi al neon, sfere al plasma, archi elettrici, scariche a radiofrequenza per applicazioni industriali, fino ai plasmi ad altissime temperature per le ricerche sulla fusione termonucleare controllata.

Esiste inoltre una categoria di plasmi in cui tra i costituenti ci sono anche piccoli aggregati di materia solida (di dimensioni variabili dai nanometri ai millimetri) che si caricano negativamente per effetto della maggior mobilità degli elettroni rispetto agli ioni. Sono questi i “dusty plasma” la cui dinamica è caratterizzata dal fatto che la carica elettrica dei granelli di “polvere” varia rapidamente nel tempo: tra questi plasmi possiamo annoverare quelli che costituiscono le comete, gli anelli dei pianeti, le nebulose, le fiamme, ma anche quelli che si producono durante le eruzioni vulcaniche, gli aerosol atmosferici, le sabbie desertiche trasportate dal vento e la cosiddetta “neve carica”. La presenza di polveri è documentata anche nei reattori a fusione termonucleare e in reattori destinati a processi industriali.

Campi di applicazione del plasma

La tecnologia al plasma si è affermata in quasi tutti i settori industriali e può offrire un’ampia gamma di applicazioni, come:

  • saldatura e/o taglio al plasma;
  • pulitura di precisione di componenti di piccole dimensioni;
  • attivazione di parti in plastica prima della procedura di incollaggio, verniciatura, ecc.
  • etching e rimozione parziale di vari materiali come il politetrafluoroetilene (PTFE), fotoresistenti, ecc.
  • rivestimento di componenti con livelli simili a PTFE, strati barriera, strati idrofobi o idrofili, rivestimenti con riduzione dell’attrito ecc.