Cíle projektu

Cílem projektu je výzkum a vývoj nových technologií založených na využití nízkoteplotního plazmatu pro konzervaci kovových archeologických objektů. Projekt se zaměřuje na komplexní aplikace moderních plazmochemických metod ve třech základních okruzích:

Výzkum a zejména optimalizace již známého procesu redukce korozních vrstev na kovových materiálech v nízkotlakém vodíkovém plazmatu

V rámci projektu bude navázáno na již stávající výzkum. Plazmochemické reaktory využívané pro redukci korozních vrstev využívají radiofrekvenční plazma (zpravidla 13,56 nebo 27,12 MHz) v tzv. proudícím režimu buzené ve válcových reaktorech o průměru 10 – 40 cm s vnějšími elektrodami. Samostatnou kapitolu opracování předmětů v plazmatu představuje problém teploty. Pro zachování struktury původního materiálu je nezbytné teplotu udržovat pokud možno co nejnižší, ideálně pod cca 100 stupňů Celsia. Jedním z důležitých cílů projektu je snaha co nejvíce snížit tepelnou zátěž předmětů, ale současně zachovat co nejvyšší efektivitu plazmové redukce. Pro snížení teplotní zátěže lze využít buď pulzní režim nebo použít kombinaci dvou různých výbojů v proudícím režimu. První výboj, jehož přímým účinkům by předměty nebyly vystaveny, by sloužil k excitaci a disociaci vstupujících reakčních plynů (vodíku nebo jeho směsí), které by byly v krátkém čase (ms) vnášeny do vlastního reaktoru s předměty. V rámci navržených experimentů, budou testovány a optimalizovány obě varianty.

Dalším otevřeným úkolem je nalezení optimálního průtoku reakčního plynu a aplikace směsí reakčních plynů. Ve většině případů se v současnosti pro odstraňování koroze využívá čistý vodík. Přitom se primárně předpokládá, že hlavním mechanismem narušování koroze je chemická interakce atomárního vodíku s povrchem. Pro zvýšení účinnosti procesu, navrhujeme využít směs argon-vodík, tato směs umožní společné působení chemické redukce a přímého odprašování povrchu vlivem dopadu tzv. těžkých částic. Aplikace směsi vodíku s argonem má ještě vedlejší efekt ve snížení nebezpečnosti provozu zařízení. Nalezení optimálního poměru těchto dvou plynů, bude jedním z cílů tohoto projektu. Pro studium vlivu iontového bombardování na odstraňování koroze bude dále využita směs plynů dusík-argon.

Posledním důležitým úkolem je dokončit automatizaci celého zařízení. Pro diagnostiku vlastního opracování předmětů v plazmatu jsme již před 8 lety navrhli a úspěšně odzkoušeli metodu založenou na optické emisní spektroskopii. V současné době k tomuto účelu využíváme miniaturní spektrometr Ocean Optics HR4000, který by měl umožnit plnou integraci do řídícího systému zařízení. Dalším parametrem, který jsme v současné době již schopni monitorovat, je reálná teplota vzorku. I tento parametr bude implementován do řídícího programu aparatury. Díky tomu bude možné pro daný předmět nastavit maximální možnou teplotu a podle aktuální hodnoty bude možné automaticky upravovat podmínky plazmatu tak, aby tato hodnota nebyla překročena.

Aplikace výbojů v kapalinách pro odstraňování korozních produktů a stimulátorů koroze kovových materiálů

Konvenční konzervátorské procesy v současnosti běžně využívají různých kapalin. Nevýhodou je poměrně malá rychlost procesů, protože probíhají za podmínek termodynamické rovnováhy při laboratorní, případně nepatrně zvýšené teplotě. Za podmínek plazmatu jsou generovány částice o velmi vysokých energiích odpovídajících běžně desítkám tisíc stupňů Celsia. Kombinace plazmatu s kapalinami tedy může vést k podstatnému urychlení mokrého ošetření předmětů. Výzkum výbojů v kapalinách, který byl realizován v průběhu posledních let, ale ukázal, že lze efektivně generovat i plazma přímo v kapalné fázi, a to i ve formě úzkého kanálu s vysokou rychlostí částic. Je tedy možné lokálně opracovávat předměty přímo v kapalné fázi. Za těchto podmínek působí synergický efekt plazmového opracování aktivními částicemi, otryskáváními atomy a molekulami (analogie pískování na molekulární úrovni při rychlosti částic řádově km/s) a klasického chemického působení. Částečně se zde může uplatňovat i vliv elektrolytických procesů, které lze vhodným nastavením podmínek částečně řídit. Zatím zcela neznámé je i působení rázových vln, které jsou generovány v některých konfiguracích výbojů v kapalinách.

V rámci řešení projektu bude navržen a zkonstruován plazmový mikrohořák v kapalné fázi. Ten pak bude testován na modelových korodovaných vzorcích, po verifikaci účinnosti a optimalizaci procesu pak také na reálných objektech. Podvodní výboj bude aplikován v různých typech kapalin. Výsledkem by měly být metodické postupy pro aplikaci podvodního výboje pro ošetření archeologických objektů.

Zamezení vlivů vnějšího prostředí na kovové objekty pomocí tenkých transparentních organokovových, zejména pak organokřemičitých, vrstev vytvářených v plazmatu na povrchu předmětů

Plazmochemické depoziční procesy jsou, jednou z nejvíce využívaných aplikací plazmatu v technologické praxi. Pro využití ke konzervaci archeologických předmětů přichází v úvahu především depozice technologií PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) a PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) s využitím radiofrekvenčního kapacitně vázaného plazmatu, případně reaktivního napařování. Pro účely projektu bude modernizována a rozšířena stávající aparatura.

Na modelové substráty (křemíkové wafery)/korodované předměty budou deponovány tenké vrstvy hexamethyldisiloxanu případně jiných prekurzorů v kontinuálním a pulzním režimu. Cílem je na povrchu předmětu vytvořit tenkou chemicky odolnou tranparentní vrstvu inhibující další korozi předmětu. Vlastnosti vrstev, s ohledem na řešenou problematiku zejména jejich adheze a chemická odolnost, jsou dány jejich chemickým složením. To lze v jisté míře měnit přidáním dalších plynů do reakční směsi – argonu, kyslíku, vodíku. Nalezení vhodných podmínek depozice na konkrétní typy materiálů tak představuje poměrně rozsáhlý úkol, který se prolíná celým projektem.

Důležitým úkolem je diagnostika jak depozičního plazmového procesu (OES, MS), tak také analýza vlastností vrstev. Ke studiu vrstev bude využito měření smáčivosti, FTIR spektroskopie, UV-VIS spektroskopie, elipsometrie a XPS. Důležitým požadavkem je pak také reverzibilita celého procesu, z toho důvodu bude proto bude řešena i problematika degradace těchto vrstev. Pro odstraňování plánujeme využít opět především plazmatické postupy, zejména založené na reaktivním odprašování.