Piano di attività - Dipartimento di Ingegneria industriale

Titolo assegno: PROGETTO E CARATTERIZZAZIONE DI SORGENTI DI PLASMA DI NON
EQUILIBRIO A PRESSIONE ATMOSFERICA PER APPLICAZIONI BIOMEDICHE,
FARMACEUTICHE ED ENERGETICHE
Sedi di lavoro:
DIN - Dipartimento di Ingegneria Industriale e Laboratorio Applicazioni Industriali dei Plasmi (Via
Terracini 32, Bologna);
CIRI-MAM – Centro Interdipartimentale di Ricerca Industriale Meccanica Avanzata e Materiali
AlmaPlasma s.r.l. – Spin-off accademico partecipato da AlmaCube srl
Relazioni con enti universitari ed extra universitari su tematiche inerenti la ricerca:
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Rapporti con tutti i centri di ricerca, le università e le aziende coinvolte nei due progetti europei:
MPNS COST MP1101 Biomedical Applications of Atmospheric Pressure Plasma Technology
(http://www.cost.eu/domains_actions/mpns/Actions/MP1101) and CMST COST TD1208
Electrical
discharges
in
liquids
for
future
applications
(http://www.cost.eu/domains_actions/cmst/Actions/TD1208)
Alma Mater Studiorum-Università di Bologna, CIRI-Scienze della Vita
Aziende del settore biomedicale e del packaging italiane e straniere
Istituto Ortopedico Rizzoli, Laboratorio BITTA, Bologna (Referente: Dott.ssa Milena Fini)
Cell Factory Centro Servizi Area Vasta Romagna – Pievesestina; U.O. Centro Grandi Ustionati e
Banca Regionale Cute Emilia Romagna (Referente: Dott.ssa Elena Bondioli)
Ospedale M. Bufalini, Azienda USL Cesena (Referente: Dott. Davide Melandri)
McGill University, Plasma Processing Laboratory, Department of Chemical Engineering,
Montreal, Canada University (Referente: Prof. Sylvaine Coulombe)
Laval University, Laboratoire de biomatériaux et de bioingénierie, Quebec, Canada (Referente:
Prof. Diego Mantovani)
Pierre & Marie Curie, Laboratoire de Génie des Procédés Plasmas et Traitements de Surface,
Department of Chemical Engineering, Paris, France (Prof. Farzaneh Arefi-Khonsari)
Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), NSW, Australia
Drexel Plasma Institute (DPI), Drexel University (Philadelphia, USA)
AlmaPlasma s.r.l. – Spin-off accademico partecipato da AlmaCube s.r.l.
Progetto di ricerca
Il progetto di ricerca riguarderà lo sviluppo e la caratterizzazione di sorgenti di plasma di non-equilibrio a
pressione atmosferica finalizzate a supportare un ampio numero di applicazioni, quali modificazione e
funzionalizzazione di superfici, polimerizzazione e grafting plasma assistiti, electrospinning, dispersione di
nanoadditivi in soluzioni polimeriche, sviluppo di materiali per il rilascio controllato di farmaci,
deposizione di film sottili e cristallizzazione di soluzioni. Le attività del progetto richiederanno un
approccio integrato e iterativo; la caratterizzazione del plasma durante l’interazione con i materiali nei
processi in precedenza menzionati fornirà infatti informazioni sui meccanismi fondamentali coinvolti, che
dovranno essere compresi e tenuti in considerazione per lo sviluppo di sorgenti ottimizzate per le
specifiche applicazioni.
Le attività, che ricadono nell’ambito del progetto FARB2 (bando 2012) di Ateneo denominato: PLASMAT
- Plasma-assisted preparation and modification of molecular and macromolecular materials for biomedical, pharmaceutical and
energy applications, si svolgeranno presso il Gruppo di Ricerca delle Applicazioni Industriali dei Plasmi (DIN
- Alma Mater Studiorum - Università di Bologna), che vanta un’esperienza ventennale nella ricerca e
sviluppo di processi industriali plasma assistiti. Le attività del gruppo di ricerca spaziano dai plasmi termici
per applicazioni metallurgiche ai plasmi di non equilibrio a pressione atmosferica per applicazioni
biomedicali e il trattamento di materiali.
Di seguito vengono dettagliate le attività inerenti al presente assegno di ricerca.
Sviluppo e caratterizzazione di sorgenti di plasma di non-equilibrio a pressione atmosferica
I plasmi di non-equilibrio a pressione atmosferica, fonte di specie reattive, radiazione UV, radicali ed
elettroni, sono un mezzo estremamente promettente per indurre e controllare reazioni chimiche e
modificazione di materiali; nonostante le loro caratteristiche, le potenzialità di questo genere di plasmi sono
ancora in gran parte inesplorate, a causa della difficoltà nella comprensione dei meccanismi di interazione
tra il plasma e i materiali trattati e della grande varietà di variabili che caratterizzano il sistema plasma, da un
lato garantendone la necessaria versatilità per supportare un grande numero di processi, dall’altro
complicandone la completa caratterizzazione.
Le attività di ricerca saranno dunque incentrate sullo sviluppo di sorgenti di plasma innovative, progettate
per supportare specifiche applicazioni negli ambiti biomedicale, energetico e farmaceutico, e sulla loro
approfondita caratterizzazione elettrica (per mezzo di sonde di tensione e corrente), strutturale (con
telecamere ad alta velocità e iCCD), chimica (per mezzo di spettroscopia ottica ad emissione e
spettroscopia ad infrarossi) e termica. I risultati delle caratterizzazioni forniranno una chiave di lettura per
interpretare l’interazione del plasma con materiali liquidi e solidi, a seconda delle applicazioni considerate;
inoltre, le sorgenti sviluppate saranno adeguate e/o riprogettate per ottimizzare i processi supportati.
Modifica di materiali in fase solida e liquida con plasmi freddi di non-equilibrio a pressione atmosferica
Le attività di design e caratterizzazione verranno affiancate a delle campagne sperimentali per verificare
l’efficacia delle sorgenti in vari processi di modificazione di materiali in fase solida e liquida; queste attività,
in parte svolte all’interno del progetto PLASMAT, riguarderanno:
- il trattamento di gel e soluzioni,
- la funzionalizzazione di superfici per favorire processi di adesione e deposizione e per
aumentarne la biocompatibilità e bagnabilità,
- la deposizione di film sottili,
- la dispersione di nanoadditivi.
Al fine di studiare gli effetti delle singole componenti attive dei plasmi di non equilibrio a pressione
atmosferica, le sorgenti dovranno essere opportunamente modificate e/o controllate; le sorgenti plasma
dovranno inoltre essere caratterizzate durante i trattamenti al fine di raccogliere dati utili alla comprensione
dei processi.
Eventuali collaborazioni con altri gruppi di ricerca:
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Rapporti con tutti i centri di ricerca, le università e le aziende coinvolte nei due progetti europei:
MPNS COST MP1101 Biomedical Applications of Atmospheric Pressure Plasma Technology
(http://www.cost.eu/domains_actions/mpns/Actions/MP1101) and CMST COST TD1208
Electrical
discharges
in
liquids
for
future
applications
(http://www.cost.eu/domains_actions/cmst/Actions/TD1208)
Alma Mater Studiorum-Università di Bologna, CIRI-Scienze della Vita
Aziende del settore biomedicale e del packaging italiane e straniere
Istituto Ortopedico Rizzoli, Laboratorio BITTA, Bologna (Referente: Dott.ssa Milena Fini)
Cell Factory Centro Servizi Area Vasta Romagna – Pievesestina; U.O. Centro Grandi Ustionati e
Banca Regionale Cute Emilia Romagna (Referente: Dott.ssa Elena Bondioli)
Ospedale M. Bufalini, Azienda USL Cesena (Referente: Dott. Davide Melandri)
McGill University, Plasma Processing Laboratory, Department of Chemical Engineering,
Montreal, Canada University (Referente: Prof. Sylvaine Coulombe)
Laval University, Laboratoire de biomatériaux et de bioingénierie, Quebec, Canada (Referente:
Prof. Diego Mantovani)
Pierre & Marie Curie, Laboratoire de Génie des Procédés Plasmas et Traitements de Surface,
Department of Chemical Engineering, Paris, France (Prof. Farzaneh Arefi-Khonsari)
Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), NSW, Australia
Drexel Plasma Institute (DPI), Drexel University (Philadelphia, USA)
AlmaPlasma s.r.l. – Spin-off accademico partecipato da AlmaCube s.r.l.
Dotazione di laboratorio del Gruppo Applicazioni Industriali dei Plasmi (DIN & CIRI-MAM):
PLASMA NON TERMICO PER APPLICAZIONI BIOMEDICALI E TRATTAMENTO DI
MATERIALI:
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Sorgente di plasma NEOPLAS – KINPEN per trattamento di materiali biologici.
Sorgente di plasma RF – Plasma Needle per trattamento di materiali biologici.
Sorgente di plasma RF – Plasma Tube per trattamento di materiali biologici.
Sorgente di plasma HV pulse – FE-DBD (Floating Electrode Dielectric Barrier Discharge) per
trattamento di materiali biologici.
Sorgente di plasma HV pulse – DBD-Jet (Dielectric Barrier Discharge) per trattamento di materiali
biologici.
Sorgente di plasma HV pulse – Plasma Gun per trattamento di materiali biologici.
Sorgente di plasma per la modificazione superficiale di materiali in atmosfera controllata.
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High voltage pulse generator FPG 20-1 NMK, FID GmbH (rise time, 2-3 ns) per trattamento di
materiali biologici.
High voltage pulse generator PG100-3D – Plasma Power LLC (rise time, us) per trattamento di
materiali biologici.
RF generator BDS300Black – BDISCOM s.r.l. (13.56 MHz, 300 W) per trattamento di materiali
biologici.
RF generator Stolberg, 13.56 MHz, 1kW, per trattamento di materiali biologici.
HVAmplifier (Trek model 30/20-H-CE, ± 30 kV, 20 mA) collegato ad un generatore di forma d’onda
(Stanford Research model DS335, 3 MHz), per trattamento di materiali biologici
LANGMUIR-TESLA BIOLAB:
Laboratorio attrezzato per coltura e manipolazione di patogeni fino alla classe 2 e licenziato dall’ufficio
protezione e prevenzione ed invio del Documento di Valutazione del Rischio alla AUSL competente in
data 15 marzo 2013 comprensivo di:
- Cappa a flusso laminare di classe 2.
- Frigo-congelatore per lo stoccaggio di ceppi batterici e patogeni.
- Incubatore per la crescita batterica su piastra.
- Piano vibrante riscaladabile per la crescita dei batteri in brodo di coltura.
- Autoclave per sterilizzazione di componenti non usa e getta.
- Demineralizzatore.
- Braccio aspirante mobile per manipolazione di composti chimici.
- Sistema di stoccaggio dei rifiuti autorizzato dalla gestione di rifiuti del plesso di Via Terracini della
Scuola di Ingegneria ed Architettura.
- Densitometro
- Sistemi per la filtrazione di soluzioni a contenuto batterico
- Microscopio ottico
ANALISI DIAGNOSTICA E COMPUTAZIONALE DI PLASMI TERMICI E NON-TERMICI:
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Telecamera ad alta velocità NAC-MEMRECAM K3 per la visualizzazione e diagnostica Schlieren di
processi plasma assistiti.
Sistema di diagnostica con fotografia Schlieren per plasmi termici.
Sistema di acquisizione dati elettrici e fluidodinamici per plasmi.
Sistema di iniezione in sospensione di polveri e liquidi per trattamento in plasma RF.
Sistema per la diagnostica in spettroscopia di emissione OES.
Telecamera ad alta velocità NAC-MEMRECAM GX3 per la visualizzazione e diagnostica Schlieren di
processi plasma assistiti.
Sonda entalpica per la diagnostica di velocità e temperatura dei getti di plasma.
Cluster computazionale PlasMac per la simulazione in calcolo parallelo di processi plasma assistiti.
Cluster computazionale Actarus per la simulazione in calcolo parallelo di processi plasma assistiti.
Sistema di spettroscopia ad infrarossi con trasformata di Fourier (FTIR) per l’analisi della
composizione degli effluenti gassosi e dei campioni solidi nel settore plasma & medicine e delle
nanopolveri.
Telecamera CCD intensificata (ICCD) PI-MAX3:1024i, Princeton Instruments con risoluzione
temporale nell’ordine dei nanosecondi, per time resolved OES e visualizzazione delle fasi transitorie
dei processi plasma.
Sistema di analisi automatica di area superficiale BET NOVA 2200e, Quantachrome Instruments per
la caratterizzazione di nanopolveri.
Sistema per la diagnostica di temperatura AccuSens in fibra ottica per plasmi non termici per
applicazioni biologiche.
Misuratore di angolo di contatto Kruss DSA4.
Gorgogliatore per sospensioni a titolo controllato
PLASMA RF per TRATTAMENTO MATERIALI:
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SORGENTE DI PLASMA di tipo torcia ad induzione, di tecnologia canadese TEKNA PLASMA
SYSTEMS INC. (Sherbrooke, Canada). Essa è costituita dalle seguenti parti: 1) generatore in
radiofrequenza LEPEL della potenza nominale di 30kW e operante a frequenza 2 - 5 MHz; 2)
consolle di controllo per la torcia al plasma di tipo TEKNA PL-35 per gas argon o argon+idrogeno e
per qualsiasi gas ausiliario (aria, azoto, ossigeno); 3) torcia al plasma ad induzione, modello TEKNA
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PL-35, con tubo di confinamento del plasma di tipo ceramico e operatività fino a 30kW; 4) sonda per
immissione di polveri nel plasma, modello TEKNA SI-635.
Sistema esterno di refrigerazione (TEKNA PLASMA SYSTEMS) costituito da: scambiatore di calore;
pompa di ricircolo; deionizzatore; serbatoio della capacità di 170 lt con controllo di livello.
Iniettore di polveri TEKNA PLASMA SYSTEMS INC modello PF-400 costituito da: consolle di
controllo; sistema di rilevazione e monitoraggio del peso delle polveri e della loro velocità di iniezione;
sistema di sicurezza contro ritorno delle polveri.
Reattore per il trattamento di polveri metalliche e ceramiche TEKNA PLASMA SYSTEMS: camera di
reazione in acciaio inossidabile con intercapedine refrigerata per il trattamento di materiali nella zona
di scarica all’esterno di sorgente di plasma termico ad induzione; collettore di polveri trattate; sistema
integrato di controllo delle fasi gassose con scambiatore di calore e sistema di filtraggio dei materiali
pulverulenti eventualmente trattati; valvole di controllo degli effluenti gassosi e delle pressioni di
esercizio; pompa a vuoto.
Movimentatore di substrato su 3 assi TEKNA PLASMA SYSTEMS per la deposizione di materiali in
coda al plasma termico ad induzione e in camera di reazione.
Sonda di iniezione di polveri con effetto di dispersione TEKNA PLASMA SYSTEMS per esperimenti
di plasma loading nella sorgente di plasma termico ad induzione del laboratorio DIEM.
JACOMEX glove-box for safe handling of nanopowders from plasma synthesis.
PLASMA DC per TAGLIO MATERIALI METALLICI:
- Pantografo per taglio plasma in alta definizione in installazione nel Laboratorio DIEM: Pantografo
della ditta COSIMO DAMI, di area utile di taglio 1200x1200 m in parte finanziato con fondi Medie
Attrezzature 2005.
- Sorgenti plasma di alta definizione nel Laboratorio DIEM in comodato gratuito: CEBORA HQC 164
con torcia CP250G: generatore, console gas, torcia al plasma e consumabili a seguito di contratti di
ricerca rinnovati annualmente a partire dal luglio 2004 (“Caratterizzazione, ottimizzazione e progettazione
innovativa di sorgenti di plasma ad arco per taglio di materiali “responsabile scientifico per DIEM, Prof.
Vittorio Colombo) tra Cebora S.p.A. e DIEM.
- Gestione in sicurezza dei gas di processo per il taglio plasma: E’ stata realizzata presso il Laboratorio
DIEM di Via Terracini 24 l’installazione di una cabina esterna per collocazione di bombole di
idrogeno (H2) o miscele di gas contenenti idrogeno (H35: miscela Argon/Idrogeno al 35% di
idrogeno). A ciò è associato anche il sistema di rilevazione e allarme per presenza di miscele di gas
potenzialmente esplosivi nella zona di laboratorio interessata dall’utilizzo di tali miscele. L’uso di H35
è fondamentale nei processi di taglio plasma assistito di acciai inossidabili su spessori superiori ai
5mm. E’ previsto anche l’utilizzo di ossigeno, azoto e aria secca quali gas plasmogeni primari e
secondari nei processi di taglio di ferro, alluminio e acciaio inox.
- HYPERTHERM INC HPR260: transferred arc plasma source for high definition cutting of metals.
- Sondi per diagnostic pneumatica del processo di taglio plasma.
- Oscilloscopio per la diagnostica elettronica del processo di taglio plasma.
CLUSTER DI CALCOLO:
- Cluster ACTARUS di 5 server composti ognuno da 2 Quad Core INTEL XEON X5570 per un totale
di 10 nodi di calcolo, 80 processori. Memoria RAM di ogni nodo pari a 72 GB per un totale di 720
GB, disco fisso per ogni nodo da 300 GB in configurazione RAID1. Scheda di rete INFINIBAND
Qlogic.
- Cluster PLASMAC di 10 server bi-processori INTEL per il calcolo parallelo finalizzato alle
applicazioni computazionali avanzate nella simulazione di plasma induttivo e ad arco.