DEA

DEA : Décharges Électriques et Aérosols

Responsable: Jean-Pascal BORRA

Objectives, strategy and applications

At LPGP, the topic « Plasma-based aerosol processes » focuses on non-thermal plasmas controlled in atmospheric pressure electrical discharges. To highlight recent developments of atmospheric pressure Plasmas, confined plasma filaments with large ranges of operating conditions in terms of energy, fluxes and related gradients of temperatures and densities, are used as sources of:

Charged species, like ions/electrons for aerosol charging.
Reactive species, like radicals for polymerization or electron for salt reduction into Metal NP.
Condensable vapors for Nucleation (Nanoparticle -NP- formation) and Nano Composite coatings.

Basic mechanisms implied for production, processing and measurement of solid/liquid particles suspended in gases (aerosol) are first identified by demonstrative experiments. Then, coupling plasma and aerosol sciences leads to applications for « Environment »(aerosol measurement and filtration) and « Materials » (multi-Metal NP and nanocomposite coatings), based on :

Electro-thermal characterization and simulation of electrical discharges (Corona, streamer, spark and DBD) versus geometrical, thermal and fluid flow parameters to control :
- Charge and energy distribution of plasma filaments
- Dynamics of energy injection and deposition in the gas and on surfaces
- Electro-thermal couplings (Power, Flow rate, surface and gas Temperatures)

Gas and Nanoparticle characterisation versus plasma operating conditions to identify :
- Mechanisms of production of condensable species (for physical or reactive nucleation)
- Mechanisms of heat and mass transfers (diffusion, convection, adiabatic expansion)
- Conditions of nucleation, coagulation and charging Gas and Nanoparticle characterisation versus plasma operating conditions to identify:
- Kinematics of solid/liquid nanoparticles suspended in the gas -> Definition of optimal plasma conditions versus targeted application

Development of experimental test and sampling facilities of proposed processes, applied to :
- Environment (Aerosol charging for filtration and size distribution measurement)
- Materials (Tailored Nanoparticles-NP-, composite nano-structured powders and coatings)

Research topics

Discharge physics of non-thermal atmospheric pressure plasma: electro-thermal characterization of Corona, Streamer, Spark and Dielectric Barrier Discharges. Readers can refer to [ 3, 10, 11, 17, 18, 22, 25, 31, 33, 38, 40, T14, T15, T19, T21, T27, T30, T33 ]
Nucleation: non-thermal plasma filaments in inert gases, streamers and sparks, are used for the synthesis of NP by plasma-surface vaporization of any material (Metal, MOx, Polymer [18, 20, 24, 26, 44, T30, T31]). Operating plasma parameters, like energy per filament and dynamic of energy deposition on surfaces, can be tuned to control surface heating, melting, vaporization as well as adiabatic expansion and cooling of the vapor plume, leading to NP by physical nucleation. In other words, plasma properties can be adjusted to control the conditions of NP synthesis and related properties (cf. Ex.1, [14, 19, 24, 26, 44, T30, T31, T34]). Otherwise, reactive nucleation can be used for post-DBD in-flight coating of catalytic Pt NP, by PE-CVD of TEOS (cf. Ex.2, [12, T34]).
Plasma processing of Aerosol Aerosol charging and kinematics in plasma chargers for diagnostic: Discharge and ion currents are used to achieve stable size-charge relations, required for data inversion of electrical mobility into size distribution (PM10 to 0.1), with unipolar Corona ions (Ramen® and CSIC 2007-10 [23, 29], IRSN 2009-16 [6, 7, 11, T32] and NCTU Taiwan 2020-24 [1, 4, T35]) or bipolar ions from DBD (Palas® 2013-16, [3, 10, 25, 26, T33]). Aerosol injection in DBD for plasma activated reactions (polymerization, ox-red): liquid/solid particles can be injected directly in DBD for simultaneous polymerization and reduction of salt into Metal NP, detailed for plasmonic nanocomposite films (cf. Ex.3, [2]). Otherwise, post-DBD have also been used for softer reactive conditions to preserve the initial monomer functionalities in the final grafted polymer coating. This polymerization of liquid precursor for coating with functional polymers is detailed in [16, 21, 27, 28, 31, 32, 44, T28, T29])
Electro-spray (EHD fragmentation of liquid jets and charged aerosol kinematics): this droplet generator can be used for bipolar mixing of droplets, leading to suspended microreactors with selected stoichiometry of reactants so-mixed, for the synthesis of tailored nano-structured composite particles, eg with tunable stoichiometry of muti-Metal oxides particles [41, 45, T23] as well as for coatings.

Cooperations (2019-2023)

Since 2008 : TU Clausthal, Germany / Metal NP production and in-flight SiOx coating TU Clausthal www.mvt.tu-clausthal.de/
2020-21: CNRS Task Force about C19 / Filtration efficiency versus cleaning and decontamination methods tested for reuse of FFP2
2020-2024: NCTU Taiwan / particle size and concentration measurement by Corona charger, non-bouncing impactors and faraday cage electrometers (20-560 nm)
2021-22 : Institut National de Recherche sur les Risques et la Sécurite professionels (INRS) / Indoor Air Quality versus aerosol formation due to ionisers used as air purifiers INRS www.inrs.fr
2021-25: PROMES, LAPLACE and LSPM for PLASSEL ANR / Aerosol droplet evaporation dynamic for nanocomposite coating by DBD with Gold NP embedded in a C polymer matrix
2023 : DMCO SME / Evaluation of acoustic waves efficiency on filtration performances.
IPPGG Laboratoire Procédés Plasma – Matériau (2PM) de l’Institut de Recherche de Chimie Paris, Institut Pierre-Gilles de Gennes pour la micro-fluidique équipe 2PM

Membres de l’équipe

Chercheurs

Jean-Pascal BORRA : Directeur de Recherche
Emmanuel MARODE : Directeur de Recherche bénévole

Ph-D student

Philipp REMBE, co-encadré avec Pr Weber : PhD Student, co-direction Technical University of Clausthal, Germany

EXPERIENCES

Ex.1 TAYLORED NANOPARTICLE SYNTHESIS (Compo, size, structure) versu plasma conditions of formation with different plasma filaments (micro-discharge in DBD, streamer, spark in corona)

Ex.2 Plasma-based COATINGS PROCESSES for NANOCOMPOSITE MATERIALS

Ex.3 Plasma-based COATINGS PROCESSES for NANOCOMPOSITE MATERIALS

En souvenir de Max Goldman

Max Goldman s’est éteint dans les monts de Jérusalem, à l’aube du dimanche 13 août 2017, à l’âge de 86 ans.

Après des débuts de carrière à la Défense Nationale et au CEA, il avait intégré le CNRS en autodidacte, avec des diplômes du CNAM et un doctorat d’Université sur les décharges dans le vide pour l’élaboration d’un tube de radiographie éclair. Puis engagé comme sous-directeur du Laboratoire de Synthèse atomique et d’Otique protonique à Ivry, il était entré à Supelec où il a créé le Laboratoire de Physique des Décharges du CNRS, d’abord implanté à Malakoff, puis transféré à Gif en 1974, et qui s’est trouvé par la suite, en 1996, associé au Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas de l’Université Paris-Sud (UMR 8578).

Max Goldman n’a eu de cesse de s’intéresser aux phénomènes de base des mécanismes d’initiation et de développement spatial et temporel d’une panoplie de différents types de décharges électriques, ainsi qu’à leurs propriétés physico-chimiques, avec un souci constant de recherche de nouvelles applications.

Avec ses collègues, parmi lesquels on peut citer, entre autres, Emmanuel Marode, Gildas Hartmann, Gérard Berger, Robert Haug ainsi que Jean-Pascal Borra et Emmanuel Odic parmi les plus jeunes, et parfois en collaboration avec le Prof. Amouroux de l’Université Paris VI-ENSCP ou avec le Prof. Sigmond de l’Université de Trondheim en Norvège, il a contribué au développement de nombreux procédés plasmas (traitements de surface, paratonnerres, ozoneurs, dépollution des COV, production/filtration d’aérosols, décontamination bactérienne,…), sujets encore d’actualité puisque toujours en cours de développement dans divers laboratoires « plasma ».

A ceux qui ont eu la chance de le connaître, Max Goldman laisse le souvenir d’un homme très proche de son épouse Alice dans sa vie professionnelle comme dans sa vie privée, d’un naturel optimiste, entreprenant, enthousiaste, combatif, chaleureux, toujours prêt à donner pour aider et toujours fier des vocations qu’il avait pu susciter parmi les jeunes.