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Nouvelles frontières spatio-temporelles
Vers les échelles "nano" et les surfaces complexes
Une des tendances fortes de la communauté des plasmas froids sur les 20 dernières années a été l’augmentation du nombres d’études portant sur des plasmas à pression élevée (>100 mbar) avec des applications emblématiques : la combustion assistée par plasma, le traitement de l’air, la valorisation du CO2, les applications biomédicales ou en agriculture, la synthèse de nanomatériaux. Les gradients de champ électriques, de densité de charge, de composition de gaz très forts et évoluant sur des échelles de temps typiquement de l’ordre de la nanoseconde qui apparaissent dans ces décharges imposent en effet des méthodes originales pour comprendre les mécanismes. L’équipe étudie 3 sujets principaux sur ces sources plasmas : (a) la dynamique des décharges nanoseconde, (b) l’interaction des décharges filamentaires avec des surfaces diélectriques complexes (catalyseurs, semi-conducteurs, tissus biologiques, etc…) (c) l’interaction avec une phase liquide.
Les décharges nanosecondes, avec une tension élevée est obtenue sur des temps caractéristiques de l’ordre de grandeur de l’inverse de la fréquence de collision électrons-neutres, occupent une place particulière dans la physique des décharges de gaz. Ces décharges sont générées avec des impulsions de tension allant jusqu’à quelques centaines de kilovolts et des temps de montée de l’ordre de quelques nanosecondes. Elles offrent la possibilité de maintenir pendant des dizaines de nanosecondes, des champs électriques et des densités électroniques élevées, pour des pressions allant du mbar à la pression atmosphérique, et permettent une dissociation efficace par l’intermédiaire de molécules excitées ce qui déclenche une chimie très hors équilibre. Elles se révèlent d’excellents systèmes modèles pour la cinétique des plasmas à des champs électriques élevés et pour les diagnostics avancés des plasmas. D’un point de vue plus applicatif, elles permettent le déclenchement simultané de faibles ondes de choc à l’échelle de la microseconde pour l’aérodynamique (“actuators”), la production uniforme d’espèces actives pour des applications en médecine, ou encore la production contrôlée de chaleur et de radicaux à des pressions allant jusqu’à 30 bars pour la combustion assistée par plasma. Ces décharges peuvent également être utilisées pour le traitement de matériaux et la production de nanoparticules. L’interaction des décharges nanosecondes, ou des décharges filamentaires plus classiques (décharges à barrière diélectrique ou continue à pression atmosphérique) est étudiée pour appréhender l’effet du plasma sur les surfaces cibles.
L’interaction avec des surfaces complexes est très fortement liée au développement de nouveaux diagnostic de surface in situ et résolu en temps. Par exemple, le développement de la polarimétrie Mueller sous exposition plasma a permis la détermination du champ électrique de surface d’abord sur des surfaces modèles, puis sur des tissus biologiques. Le couplage plasma/catalyseur a été étudié par absorption infrarouge in situ en transmission aussi bien dans le cadre du traitement de l’air intérieur que du recyclage du CO2. Le développement d’un banc Raman permet également l’étude de l’interaction plasma catalyseur, mais également de l’interaction des décharges nanosecondes avec des semi-conducteurs, ou de l’interface plasma/liquide avec des décharges continues ou nanosecondes
