INSTITUT DE QUÍMICA AVANÇADA DE
CATALUNYA IQAC
Creació i valoració de l’eficàcia de models
d’elèctrodes per formar
Surface Plasma
1
INTRODUCCIÓ
L’IQAC (Institut de Química Avançada de Catalunya) és el centre de recerca més gran de Catalunya adscrit al CSIC (Centro Superior de Investigaciones Científicas) que és la major organització pública estatal dedicada a la investigació, i una de les més grans a Europa.
Durant les tres setmanes en què vaig realitzar el projecte, vaig tenir l’oportunitat de practicar amb el plasma, l’anomenat quart estat de la matèria, que és l’objecte d’estudi d’una línia d’investigació molt recent i poc explorada, amb un gran ventall d’utilitats pràctiques: des de la recerca de nous materials a l’esterilització de superfícies.
FITXA TÈCNICA
Període de realització de l’estada: del 29-06-2015 al 17-07-2015
Centre: Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC)
Adreça: Carrer Jordi Girona, 18-26 08034 Barcelona
Científic a càrrec: Ricardo Molina Mansilla
Departament i Àrea: Departament de Tecnologia Química i de Tensioactius. Àrea de Química de Plasmes
Línies d’investigació de l’Àrea
- Modificació selectiva de superfícies (polimèriques, tèxtils, SAMs, etc). - Polimerització assistida amb plasma en líquids i nous recobriments tèxtils.
- Degradació de compostos orgànics contaminants en aigües mitjançant tècniques de plasma. - Esterilització de superfícies.
Línies d’investigació del Departament
- Minimització de residus i aïllament de biopolímers de valor afegit - Desenvolupament de processos industrials no contaminants - Modelatge estadístic i física de fibres
- Tensioactius biocompatibles
- Química ambiental de tensioactius i líquids iònics - Química física de sistemes tensioactius
- Biofísica de lípids i interfases - Innovacions cosmètiques i tèxtils - Química de plasmes
Altres Departaments del Centre
- Departament de Química Biològica i Modelització Molecular - Departament de Química Biomèdica
2
Projecte
El projecte inicial se centrava en la creació i valoració de l’eficàcia de models d’elèctrodes per formar Surface Plasma, tot i que a més es varen realitzar altres projectes paral·lels encarats a l’exploració de les capacitats pràctiques del plasma.
OBJECTIUS DEL PROJECTE
L’objectiu principal de l’estada en el centre era construir un model funcional de Surface Plasma, un tipus de plasma que es crea realitzant una descàrrega elèctrica entre dos elèctrodes separats per un material dielèctric (un polímer o un vidre generalment).
Per crear-lo s’havien de disposar els elèctrodes de tal manera que el plasma es creés de la forma més homogènia possible i que la superfície aconseguida fos la més gran possible. Per realitzar-ho, es va acordar crear el plasma a temperatura ambient i condicions atmosfèriques normals, amb un voltatge de 30V i 16KHz.
També vaig participar en diferents activitats lligades amb els projectes que realitzaven els investigadors al centre, com l’experimentació amb NIPAM, una de les investigacions punteres d’aquest grup.
ACTIVITATS REALITZADES
Les activitats realitzades per treballar en el projecte principal varen ser, sobretot, la creació d’elèctrodes i la posterior valoració d’aquests.
Vaig començar l’estada informant-me sobre els diferents models ja construïts de Surface
Plasma, per tal de veure quins materials funcionaven millor i quines disposicions dels elèctrodes
eren les més eficients.
Després vaig dissenyar els meus propis elèctrodes en paper i, un cop l’investigador va valorar que era viable construir-lo, vaig procedir a buscar, retallar i soldar els diferents materials que jo creia propicis per a la construcció d’un model funcional de Surface Plasma.
Per avaluar dels models realitzats, aquests es connectaven a una font d’alimentació de 30V i 16KHz. Després de comprovar que es formava plasma de la forma desitjada, es procedia a tractar llana (un material que quan no està tractat és hidròfob i quan es tracta és hidròfil). Passats 10 minuts, es comprovava si havien canviat les propietats de la llana, i de quina manera (quantitat de superfície afectada i homogeneïtat).
Es varen realitzar nou proves utilitzant diferents combinacions i distribucions de materials (a l’annex es mostren algunes d’aquestes proves).
Es va constatar que el millor model d’elèctrodes estava format per tires de coure intercalades amb un màxim de 5mm de separació entre elles (figura 1).
Figura 1. Projecte i model d’elèctrodes més eficient de
3 POLIMERITZACIÓ I VALORACIÓ DEL NIPAM
Un altre projecte paral·lel no relacionat amb el principal va ser la polimerització i valoració del NIPAM.
En aquest projecte, l’objectiu inicial que teníem era determinar quina quantitat de NIPAM i de MBA necessitàvem per tal d’aconseguir una substància final homogènia i funcional. Per analitzar les substàncies, es realitzaria una ATR (Attenuated Total Reflection).
El NIPAM (N-Isopropil acrilamida) és un monòmer de 6 carbonis que conté tres grups molt importants en la seva estructura: un grup amina NH que és hidròfob, dos grups metils CH3 que
son hidròfils i, finalment, un grup vinil CH2=CH que permet polimeritzar els diferents monòmers
a través de la pèrdua del doble enllaç entre els carbonis i la unió amb una altra cadena.
El MBA (Metilè Bis-acrilamida) és un crosslinker, una substància que en la seva estructura conté dos grups vinils que ajuden a unir diferents polímers lineals per tal de formar estructures de xarxes tridimensionals.
Per realitzar l’experiment es varen disposar tres solucions en 100ml d’aigua destil·lada: 1a- NIPAM 20%
2a- NIPAM 20% i MBA 0’4% 3a- NIPAM 20% i MBA 2%
Seguidament es varen ionitzar amb heli en plasma a 30W i 10 minuts, en el sistema d’elèctrodes representat a continuació. Vidre interior Elèctrode negatiu Elèctrode positiu Entrada de gasos Sortida de gasos Vidre exterior
4
Després de realitzar la ionització en plasma, es varen netejar les mostres amb aigua i es va procedir a l’anàlisi dels resultats.
Vàrem poder observar que després de netejar les mostres, el material que només estava format per NIPAM es va dissoldre completament, el que estava format per NIPAM 20% i MBA 0’4% va formar una estructura en forma de xarxa que absorbia l’aigua, però en canvi, es va poder veure que la que contenia NIPAM 20% i MBA 2% formava una xarxa molt més densa que no absorbia tanta aigua. Per tant, com a conclusió vàrem deduir que la solució més eficient era la de NIPAM 20% i MBA 0’4%.
VALORACIÓ PERSONAL
Valoro molt positivament l’experiència que he pogut viure aquest estiu gràcies al programa Joves i Ciència, ja que m’ha permès veure com treballa un grup d’investigació: des de plantejar-se el projecte fins a aconplantejar-seguir el resultat desitjat, passant per tots els errors i problemes que es tenen en el camí i s’han d’anar resolent. A més, vaig tenir la sort de poder treballar en un grup de recerca magnífic, amb investigadors brillants, que em varen acollir molt bé, em varen permetre poder realitzar el meu propi projecte i em varen ajudar amb tot el que vaig necessitar.
Aquesta estada també m’ha permès poder realitzar experiments pràctics que no podria haver realitzat en cap lloc més, ja que el material que vaig utilitzar no està disponible a l’Institut i, molt probablement, tampoc a la Universitat. També m’ha permès endinsar-me en el camp del plasma, un camp relativament recent i fascinant que m’ha dut a fer-ne el treball de recerca.
Finalment m’agradaria agrair una vegada més a tota la gent que ha fet possible aquesta estada, tant la gent del programa Joves i Ciència de la Fundació Catalunya-La Pedrera, com a tots els investigadors de l’IQAC que m’han ajudat: Ricardo Molina, Alberto Gonzalez, Petar Jovančić i Ramon Eritja.
5
ANNEX
Mostra d’alguns models d’elèctrodes dissenyats per crear Surface Plasma.
1- Tira de coure vidre amb 1mmde separació
2- Tires de coure intercalades a sobre i a sota amb 2 mm de separació.
3- Tires de coure de 2mm i a la base una placa d’alumini de 1 mm de gruixudaria la separació entre les tires varia per saber quina es la separació mé optima
6
4- Cables de coure intercalats de 1mm amb 1mm de separació.
