Revista >> Septembrie 2022 [Nr. 247] >> Cover Story

Laboratorul Plasmă de Temperatură Joasă din INFLPR: evoluție sub semnul schimbului de generații

Alexandru Batali

21 Septembrie 2022

La fel ca întreaga cercetare românească, Laboratorul Plasmă de Temperatură Joasă (LPTJ) din cadrul Institutului Naţional de Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației, singurul din țara noastră cu acest specific, traversează o continuă transformare și adaptare la nevoile socio-economice actuale. De la ultimul articol dedicat, publicat în revista Marlet Watch în octombrie 2019, în laboratorul PTJ au avut loc schimbări dinamice, atât organizatorice, cât și din punct de vedere al proiectelor de cercetare derulate, schimbul reușit de generații fiind sursa unei regenerări favorabile și a unor noi evoluții pe linie științifică. Sinteza noutăților și detalii legate de transformările petrecute la nivelul fiecărui grup de cercetare din Laboratorul Plasmă de Temperatură Joasă le regăsim în prezentul cover story.

În urmă cu trei ani, laboratorul era format din patru grupuri de cercetare: Procese în Plasmă, Materiale și Suprafețe - PPMS, condus de dr. Gheorghe Dinescu, Procese Elementare în Plasmă și Aplicații - PEPA, coordonat de dr. Cristian Petrică Lungu, grupul Plasme Tranziente Pulsate – PTP, condus de dr. Mihai Ganciu, și grupul de cercetare Acoperiri în plasmă -AP, condus de dr. Cristina Surdu Bob.
În perioada imediat următoare, cei trei lideri seniori ai grupurilor PPMS, PEPA și PTP au decis să se retragă din aceste funcții, conducerea grupurilor fiind preluată de persoane tinere, ambițioase, capabile să conducă, la fel ca predecesorii lor, proiecte de cercetare la nivel național, dar și internațional (PPMS: dr. Sorin Vizireanu, PEPA: dr. Corneliu Poroșnicu, PTP: dr. Andreea Groza). În plus, începând cu anul 2020, în laborator s-a cristalizat formarea unui grup nou, numit Surse de plasmă și aplicații (SPA), condus de dr. Rosini Ioniță, grup care are ca direcții de cercetare conceperea, realizarea și testarea surselor de plasmă RF de presiune atmosferică și aplicații ale acestora, precum curățarea suprafețelor, tratarea lichidelor, decontaminarea apei, procesare materiale polimerice, patterning, corodarea suprafețelor, realizarea structurilor 3D, acoperiri multistrat polimer-nanoparticule. Deși aflat la început, acest grup este ambițios, tânăr și capabil, reușind câștigarea unui proiect de tip Proiect Experimental Demonstrativ (PED). Singurul grup care a păstrat același lider de echipă (dr. Cristina Surdu-Bob) este AP. Acesta s-a maturizat în această perioadă, reușind să acceseze atât fonduri de finanțare acordate de Agenția Spatială Europeană (ESA), dar și să conducă și să finalizeze cu succes un proiect de tip PED.
În această perioadă de trei ani s-au încheiat cu succes proiectele aflate în derulare de tip PCCDI (Proiecte complexe realizate în consorţii de cercetare-dezvoltare-inovare), proiecte PED (Proiecte experimental demonstrative), PD (Proiecte de cercetare postdoctorală) și proiecte internaționale de tip EUROfusion, ESA și MERA-NET.
Capabilitățile de înalt nivelștiințific și tehnologic, cât și pregătirea continuă de noi specialiști au permis atât continuarea finanțării pentru teme de cercetare deja existente sau deschiderea unor teme de finanțare noi, prin accesarea de finanțare în noul grant EUROFusion, noi contracte încheiate cu ESA, finanțări europene MERA-NET sau la nivel național prin câștigarea de proiecte finanțate de către UEFISCDI.

Prezentăm în cele ce urmează activitațile reprezentative ale grupurilor de cercetare din cadrul LPTJ.
Grupul de Cercetare Procese în Plasmă, Materiale și Suprafețe (PPMS) are o lungă tradiție de lucru în colaborări internaționale. Între anii 1997-2000 INFLPR a participat în calitate de partner, prin acest grup, la unul dintre primele sale proiecte europene, proiectul Copernicus Deposition of hard carbon-nitride materials, alături de actori importanți ai cercetării europene, precum University of Technology, Eindhoven-Olanda, Ecole Polytechnique Palaiseau-France, Kurchatov Institute - Russia. De-a lungul anilor se pot menționa multe alte proiecte desfășurate în Programele de cercetare EUREKA, EURATOM, M-ERA.NET, MANUNET. Începând cu anul 2022 INFLPR conduce, în calitate de coordonator, proiectul de cercetare din programul FP-9, derulat în cadrul EURO-
Fusion„NanoDust în Metal Tokamak (DUST-FORM)” împreună cu parteneri francezi din cadrul CEA și CNRS. Acest proiect ilustrează recunoașterea internațională a expertizei și profesionalismul grupurilor de cercetare din Laboratorul de Plasmă de Temperatură Joasă și din Secția Laseri în domeniul tehnologiilor cu plasmă și laseri, al procesării materialelor la scară nanometrică, aplicate în scopul dezvoltării tehnologiei de fuziune nucleară.

În grupul PPMS s-au derulat mai multe proiecte naționale, pe tema depunerilor de nano-materiale carbonice, materiale care s-au dovedit ulterior utile în stocareade energiei. Folosind aceste materiale, am raportat capacitanțe cu valori de
1 F/cm2, valori care la vremea respectivă erau cu 3ordine de mărime mai mari decât ce se raportase in literatura de specialitate pe alte nano-materiale similare (articol în NANO ENERGY cu IF 10.3 și peste 170 de citări în anul 2022). Tot folosind aceste nanomateriale carbonice am reușit obținerea unor senzori de gaze cu sensibilitate foarte ridicată (articol în NONOMATERIALS cu IF 5.8).
O altă direcție, care a prins contur în grupul PPMS și care s-a dovedit a fi eficientă, a început de la dezvoltarea unor surse de plasmă de tip jet, care funcționează la presiune atmosferică și care ulterior am observat că funcționează și imersate în diferite lichide. Inițial s-au realizat funcționalizări de materiale sub formă de pudre nanometrice dispersate în apă distilată (pudre care erau greu de manipulat și tratat cu plasmă ex: grafene, nanoceluloză) și am ajuns ca în anul 2021 să folosim aceste surse la tratarea și curățarea apelor reziduale. Rezultate remarcabile au fost obținute în descompunerea mai multor pesticide (articol înJOURNAL OF WATER PROCESS ENGINEERINGcu IF 5.8), dar și în degradarea totală a unor agenți chimici de război (de exemplu iperita, al cărui standard NATO a fost degradat într-un minut de tratament cu plasmă). Acest tip de experimente a fost recunoscut prin obținerea unei medalii la EURO INVENT 13 EDITION European Exhibition of Creativity and Innovation 2021 (Diploma of Gold Medal for Mobile plasma system for the decontamination of waters contaminated with highly toxic compounds).
În cadrul grupului Procese Elementare în Plasmă și Aplicații (PEPA), în ultimii trei ani cercetarea s-a axat aproape exclusiv pe componența materialelor cu interes în fuziunea nucleară, grupul rămânând puternic implicat în zona studiilor privind materialele în contact direct cu plasma de fuziune, materiale care suportă fluxuri imense de energie și de particule în timpul descărcărilor din instalațiile de fuziune. Astfel, componenta de participare a României la pachetul de lucru cu privire la interacția plasmă de fuziune-perete interior tokamak și evacuarea combustibilului nuclear (PWIE) este coordonată la nivel național de către liderul grupului. De menționat faptul că, în cadrul grupului, există singura facilitate de beriliu din țara noastră, acreditată să lucreze cu Be sub formă de pulberi.

Activitatea de cercetare științifică în cadrul acestui proiect este în concordanță cu noua strategie națională, principala activitate fiind producția de acoperiri sau pulberi pe baza de beriliu pentru a fi utilizate în studii relevante pentru fuziunea nucleară. Acestea reprezintă produse complexe, care fie sunt studiate de către membrii grupului în cadrul proiectelor, fie sunt trimise în laboratoarele solicitante pentru analize și studii științifice. Acest tip de acoperiri nu poate fi obținut în niciun alt laborator din lume, conferind laboratorului o specificitate de nișă în domeniul materialelor pentru fuziunea nucleară.
De asemenea, tot în domeniul plasmei de fuziune nucleară, grupul oferă servicii și expertiză științifică și transfer de cunoaștere prin încheierea de contracte economice pentru producerea de filme subțiri cu proprietăți speciale în domeniul menționat mai sus, prin realizarea de tratamente cu plasmă pe componentele reactoarelor nucleare sau prin realizarea de studii cu livrare de rezultate științifice în ceea ce privește formarea de praf de beriliu sub acțiunea laserului în mediu lichid. În privința transferului de expertiză, o persoana din grup a furnizat pentru aproximativ 10 luni expertiza științifică pentru analiza plăcilor martor din reactorul de fuziune JET (Joint European Thorus) sub forma unui contract economic în valoare de aproximativ 70.000 de euro, ducând valoarea serviciilor oferite în anii 2020-2022 la o valoare de peste 140.000 euro.

Pe lângă proiectele de tip EUROFusion, în cadrul formării continue a tinerilor din grup, se realizează teze de doctorat cu impact asupra dezvoltarii ulterioare în acest domeniu. Astfel, grupul a obținut finanțare pentru un proiect de tip PD având ca temă influența prezenței neonului asupra retenției deuteriului în filmele de beriliu, studiul reprezentând o temă pregatitoare pentru viitoarele proiecte EUROFusion.
În afară de câteva colaborări pe teme de cercetare fundamentală, în ultimii ani, grupul Acoperiri în plasmă (AP) s-a concentrat pe activități de cercetare aplicativă și industrială. O direcție de cercetare a fost obținerea cu ajutorul plasmei a unor straturi capabile să ofere lubrifiere bună simultan, atât în condiții de vid înalt, cât și în atmosfera terestră, pentru diverse mecanisme utilizate în aplicații spațiale (rulmenți și prinderi mecanice). Astfel de mecanisme trebuie să funcționeze la parametri optimi în perioada de asamblare și rulare la sol, precum și în timpul zborului în spațiu. Cercetările finanțate de ESA au trecut de la stadiul inițial, acela de concept, la stadiul de proof of concept, în care s-a realizat un material lubrifiant dublu-strat cu conținut de carbon cu performanțe bune în ambele condiții de mediu ambient, atestate de un laborator specializat acreditat ESA. Stratul realizat conține atomi de carbon legați între ei prin legături similare celor din diamant și este denumit în literatura de specialitate Diamond Like Carbon (prescurtat DLC). Datorită formării acestui tip de legături între atomii de carbon, straturile subțiri de carbon obținute în plasmă au proprietăți deosebite, ce le conferă un spectru larg de utilizare. Astfel de straturi sunt inerte chimic, biocompatibile, rezistente la zgâriere și, de asemenea, pot avea proprietăți controlabile, cum ar fi rezistența electrică, transparență și reflectivitate pe diverse domenii spectrale.
La această dată avem în derulare un proiect de cercetare industrială ce are ca scop realizarea unei surse de plasmă originale de dimensiuni mari, cu potențial de utilizare la scară industrială pentru acoperirea cu un strat ultrasubțire DLC a unor oglinzi de raze X cu aplicații în Spațiu. Oglinzile, asamblate în module de câteva sute de bucăți, vor fi parte integrantă a unui telescop de generație nouă, bazat pe raze X, proiectat de către Agența Spațială Europeană pentru cercetări ale Universului energetic și fierbinte, în cadrul Misiunii ATHENA (Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics).
Stratul DLC are rolul de a îmbunătăți puterea de reflexie a oglinzilor, iar tehnologia de obținere a acestuia pe care o dezvoltăm trebuie să îndeplinească cerințe stricte în ceea ce privește puritatea, compoziția, reactivitatea chimică și precizia obținerii grosimii, precum și să asigurare anumite condiții termice de procesare. Mai mult, deoarece numărul total de oglinzi necesare construirii telescopului se apropie de 100.000, tehnologia de acoperire a acestora cu strat DLC trebuie să ofere producție de masă cu mare fiabilitate, eficiență și reproductibilitate. De asemenea, tehnologia trebuie să fie integrabilă în infrastructura existentă la ESA. Această etapă cuprinde construcția și validarea unei părți din cerințele ce trebuie îndeplinite de sursa de plasmă. Sursa de plasmă pe baza căreia se bazează acest proiect este originală și aparține laboratorului nostru.
Activitățile desfășurate de-a lungul proiectului PED 326 – NECOMAT, în cadrul grupului AP, au condus la dezvoltarea unei metode de plasmă hibridă pentru obținerea de acoperiri pe bază de CrNx (cu rezistență la coroziune în medii normale și supercritice de presiune și temperatură), validată la nivel de laborator (TRL 4), pornind de la un concept (TRL 2) de combinare a două metode de depunere de filme subțiri cu același principiu de funcționare: Thermionic Vacuum Arc (ce folosește doar precursori solizi) și Gaseous –Thermionic Vacuum Arc (ce folosește doar precursori gazoși). Primul pas în atingerea obiectivelor proiectului a constat în proiectarea, manufacturarea și investigarea a diverse configurații electrodice ce permit injecția precursorului gazos N2 într-o plasmă de crom obținută prin TVA. Astfel, s-a reușit realizarea unui demonstrator Reactive – Thermionic Vacuum Arc (R-TVA).
Rezultatele obținute în cadrul proiectului au evidențiat rolul acoperirilor protective/anticorozive al nitrurilor de crom, atât în medii „normale”, cât și în medii „supercritice” de presiune și temperatură („normal” = presiune atmosferică de ~ 1 MPa la temperaturi ambientale 25 – 30 ˚C, „supercritic” = suprapresiune 25 Mpa la temperaturi de 550˚C). Cel mai semnificativ rezultat obținut îl constituie extinderea ariei de aplicabilitate a metodei ARC TERMIONIC ÎN VID (TVA) în dezvoltarea de acoperiri protective/anticorozive pe bază de CrNx cu raport al concentrațiilor N/Cr controlat prin modificarea debitului de precursor gazos injectat în plasma de TVA de Cr, acoperiri de interes industrial cu aplicații în fabricarea de unelte pentru prelucrare mecanică, domeniul nuclear și biomedical. Diseminarea rezultatelor obținute s-a realizat prin publicarea a 4 articole în reviste cotate ISI, precum Metals, Coatings sau Materials, participarea la 2 conferințe internaționale și depunerea unei cereri de brevet de invenție.

Grupul Plasme Tranziente Pulsate - Plasme Complexe (PTP-CP) are ca domeniu de expertiză dezvoltarea de sisteme inovatoare ale plasmelor pulsate pentru aplicații în diverse domenii, cum ar fi: realizarea de straturi subțiri de interfață pentru aplicații biomedicale, îmbunătățirea proprietăților de detecție a suprafețelor senzorilor prin procesări în plasmă, caracterizarea plasmelor de procesare și a straturilor subțiri prin metode inovative bazate pe tehnici de spectroscopie optică și de masă. „Spiritul inovativ, căutarea noului, înțelegerea și aplicarea plasmelor în viața de zi cu zi a fost dezvoltat permanent de-a lungul ultimilor 50 ani de către părinții acestui laborator, începând cu dl. acad. prof. dr. Ioan Iovit Popescu și continuat de către dr. CSI Mihai Ganciu Petcu și dr. CSI Agavni Surmeian”, precizează dr. Andreea Groza. Tinerii absolvenți ai Facultăților de Fizică din țară care au trecut prin acest laborator au realizat cercetări de înaltă calitate, precum și lucrări de licență, masterat și doctorat apreciate de comunitatea științifică națională și internațională. În prezent colectivul este tânăr, având doi cercetători seniori, un cercetator junior și doi doctoranzi.

În perioada 2013-2020 grupul a derulat activități intense de cercetare în domeniul interacției laserilor de mare putere cu materia pentru aplicații aerospațiale, în cadrul unui proiect național cu Agenția Spațială Română și a două contracte cu ESA: „Feasibility Study for the Use of the Romanian CETAL Infrastructure” – Emulation of the Jovian Radiation Environment in support of the JUICE mission (ERAJUICE) 2014-2017; „Laser Plasma Accelerators as tools for Radiation Hardeness Assessment (RHA) Studies and Tests in support of ESA space missions (PARAHARD)” (2017-2020); Acestea au fost finalizate cu succes și apreciate de către oficialii ESA. De altfel, cele două articole publicate în domeniul accelerării de electroni și protoni, brevetul acordat în 2022, precum și colaborarea cu ELI-NP, completează succesul proiectelor derulate.
În domeniul plasmelor complexe, grupul PTP-CP abordează direcții noi de cercetare, cum ar fi domeniul sistemelor de tip Coulomb puternic cuplate, confinate în capcane electrodinamice, precum și domeniul tehnologiilor cuantice bazate pe ioni ultrareci, cu un accent deosebit pe senzorii cuantici destinați măsurătorilor de ultraînaltă precizie. Dr. Bogdan Mihalcea este membru în Comitetul de Management al Acțiunii COST CA 17113, intitulată Trapped Ions: Progress in Classical and Quantum Applications (TIPICQA), care se derulează în perioada 2018 –2023. Din primăvara anului 2020, dumnealui este membru în Science Team-ul misiunii ESA intitulată International Space Station - Space Optical Clock -Pathfinder (I-SOC-PF), care are ca obiectiv realizarea de teste fundamentale ale Teoriei Generale a Relativității și geodezie relativistă de mare precizie, utilizând rețele de ceasuri atomice optice (situate atât la sol, cât și pe orbită) ca senzori cuantici de mare acuratețe.
Din anul 2014, în cadrul grupului PTP-CP s-a dezvoltat o cooperare strânsă cu ESA, focalizată la momentul actual pe depunerea a doua proiecte complexe de cercetare, unul în cadrul Programului General Support Technology Programme (GSTP) și un altul în cadrul programului NAVISP, privind furnizarea de servicii de Positioning, Navigation and Timing (PNT) și de distribuție a timpului. De asemenea, se poartă discuții avansate cu Airbus și ixBlue Quantum Sensors pentru includerea României într-o rețea europeană de distribuție prin fibra optică a timpului și frecvenței.
Competențele interdisciplinare ale grupului PTP-CP în domenii precum spectroscopia ca metodă de analiză a materialelor lichide, solide, organice sau anorganice, electronica, tehnologii inovatoare pentru rezolvarea de probleme a societății în care trăim, a condus la abordarea unui domeniu de mare interes în momentul de față, și anume utilizarea senzorilor optici în detecția cu sensibilitate crescută a poluanților din apa mării, prin participarea în parteneriat european la proiectul Intelligent PREdictive Maintenance for Aquaculture Systems, MarTERA ERA-NET Cofund, 2022-2024, contract n3.285/2022.

Predare reușită de ștafetă, perspective promițătoare
Numărul cercetatorilor permanenți din cadrul Laboratorului Plasmă de Temperatură Joasă a rămas constant în ultimii ani și cuprinde la acest moment un număr de 23 de cercetatori, cu o medie de vârstă de aproximativ 40 de ani. Dintre aceștia, doi ocupă funcția de Cercetător Științific grad I, patru de Cercetător Științific grad II și cinci de Cercetător Științific grad III, cărora li se adaugă șase cu grad de Cercetător Stiințific, șase Asistenți de Cercetare și patru membri în personalul tehnic. Suplimentar, în cadrul proiectelor, au fost angajați doi dintre cercetătorii seniori, foști lideri ai grupurilor PPMS și PEPA. Dinamica de personal și pregătirea tinerilor este un fenomen permanent și o consecință a acestui lucru este faptul că, deși cercetătorii seniori s-au retras de pe poziții permanente, reprezentanții generației mai tinere în sectorul de vârstă de 35-50 de ani au promovat pe poziții de cercetători seniori. În același timp, tinerii au progresat permanent în ultimii trei ani și unii dintre ei au avansat ca nivel al cunoașterii, au câștigat proiecte și au promovat pe poziții superioare, de la cercetători juniori, la cercetători științifici.