B0847 - TECNOLOGIE PLASMA PER APPLICAZIONI ENERGETICHE AMBIENTALI E BIOMEDICALI T

Conoscenze e abilità da conseguire

Il presente corso si propone di fornire le basi per una comprensione delle problematiche connesse al sempre crescente utilizzo di plasmi nel campo biomedicale, energetico ed ambientale, indicando i principi fisici ed ingegneristici alla base delle più importanti applicazioni, già consolidate o in via di sviluppo.

Contenuti

Le applicazioni in campo biomedicale, energetico ed ambientale sono caratterizzate dal comune bisogno di trattamenti innovativi e avanzati che modifichino le proprietà di differenti materiali (che possono presentarsi in fase liquida, solida o gassosa ed essere persino materiali biologici). Il plasma, gas ionizzato in grado di condurre calore ed elettricità e che consiste di elettroni, ioni, neutri e specie radicaliche, ha uno straordinario potenziale legato ai numerosi agenti attivi prodotti che conferiscono alla tecnologia la versatilità necessaria per adattarsi anche alle applicazioni più innovative e complesse. Controllare le caratteristiche del plasma e ottimizzarle per specifiche applicazioni richiede competenze fisiche e ingegneristiche e un approccio fortemente interdisciplinare.
Dopo una introduzione mirata a fornire agli studenti alcune informazioni fondamentali sulla natura del plasma, ci si focalizzerà sulle sue applicazioni nei tre settori: biomedicale, energetico e ambientale. In particolare, verranno illustrati i seguenti argomenti, partendo dalle tecnologie più consolidate e proseguendo con quelle più innovative:

Parte 1

- Concetti fondamentali relativi alle interazioni tra particelle: stati energetici di atomi e molecole; potenziale di ionizzazione; diagramma del potenziale di Morse

- Processi elementari in un plasma: meccanismi di ionizzazione; processi di reazione che riguardano ioni positivi o negativi; processi di eccitazione e dissociazione di particelle neutre; processi di rilassamento

- Plasma breakdown: descrizione semplificata per un plasma DC; descrizione estesa per un plasma DC e regimi di scarica; Townsend breakdown: valanga elettronica, coefficienti di ionizzazione, campo elettrico ridotto al breakdown, campo elettrico al breakdown, tensione di breakdown, curve di Paschen; descrizione fenomenologica di una scarica a bagliore in DC; spark breakdown: valanga elettronica come dipolo, distorsione del campo elettrico, criterio di Meek, il concetto di streamer e la sua propagazione al catodo o all'anodo

- Principali aspetti caratteristici delle sorgenti di plasma termico e di plasma non termico a bassa pressione e a pressione atmosferica; descrizione del principio di funzionamento di scariche a corona, a barriera resistiva e a barriera dielettrica; architettura plasma jet

- Progettazione di un processo plasma assistito: produzione di ozono mediante plasmi di non equilibrio; chimica dei plasmi in ossigeno; chimica dei plasmi in aria; controllo del processo di produzione di ozono; aspetti tecnologici

Parte 2

-Ozono in liquido: richiami di chimica, chimica dell’ozono in acqua, decadimento dell’ozono, Legge di Chick, disinfezione e decontaminazione di acqua, trasferimento di massa, potabilizzazione di acqua di fiume

- Utilizzo di ozono gassoso per la decontaminazione di superfici: valori di soglia di esposizione

-Plasma e liquidi: sorgenti di plasma per il trattamento di liquidi, interazione plasma con liquidi, chimica indotta in liquido, specie reattive dell’ossigeno e dell’azoto, analisi chimica delle specie reattive prodotte in liquido, acqua attivata plasma, inattivazione microbica

-Applicazioni biomedicali: applicazioni in ambito oncologico, dermatologico, Norma DIN SPEC91315 “General requirements for plasma sources in medicine), decontaminazione di aerosol e superfici

Parte 3

- Processi plasma per la modifica superficiale di materiali: biomateriali, ingegneria delle superfici, impianto ionico, sputtering, etching, polimerizzazione

- Fusione termonucleare a confinamento magnetico: reazioni di fusione nucleare, forze elettrostatiche e nucleari, reazioni termonucleari in un plasma, criterio di Lawson e sue implicazioni, prodotto triplo e fattore di amplificazione Q, confinamento magnetico di un plasma, gabbia magnetica in un Tokamak, dimensionamento di massima di un Tokamak, il progetto ITER, il reattore DTT

Testi/Bibliografia

• Materiali forniti dai docenti
• A. Fridman, Plasma Chemistry, Cambridge University Press, Cambridge UK (2008)
• M. Laroussi, M.G. Kong, G. Morfill,W. Stolz, Plasma medicine, Cambridge University Press, Cambridge UK (2012)
• R. d'Agostino, P. Favia, C. Oehr, M. R. Wertheimer, Plasma Processes and Polymers, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, USA (2005)
• V. I. Parvulescu, M. Magureanu, P. Lukes. Plasma Chemistry and Catalysis in Gases and Liquids, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, USA (2012)
• Jeffrey P. Freidberg, Plasma Physics and Fusion Energy, Cambridge University Press

Metodi didattici

Lezioni con supporto di videoproiettore

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova orale sulle tematiche trattate a lezione. La prova consta di due fasi.

Fase 1

Verranno somministrate 2 tracce quali guida per la prova orale successiva. In tale fase è richiesto di riportare grafici, schemi, formule e mappe concettuali che facilitino la discussione orale, senza necessità di rispondere discorsivamente. Tale fase della prova è volta anche a consentire una autovalutazione da: qualora non si abbia una conoscenza sufficiente di uno dei due quesiti, sarà possibile ritirarsi autonomamente, senza accedere alla fase orale con i docenti. 

Fase 2

Orale con i docenti, in cui verrà si discuterà dei temi proposti nella fase precedente e, più in generale, qualsiasi tema trattato in tutte e 3 le parti del corso

Strumenti a supporto della didattica

Materiali forniti dai Docenti e resi disponibili sulla piattaforma Virtuale

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Romolo Laurita

Consulta il sito web di Matteo Gherardi