Section 10 Milieux fluides et réactifs : transports, transferts, procédés de transformation

III. Plasmas/Lasers

A. Positionnement

Les recherches menées par la communauté plasma-laser de la section 10 visent à utiliser l'interaction entre de l'énergie électromagnétique (haute tension continue éventuellement impulsionnelle, excitation basse fréquence, radiofréquence, micro-ondes, rayonnement laser allant de l'IR à l'UV, etc.) et un milieu matériel (souvent gazeux, parfois liquide, dans le cas des plasmas, essentiellement solide dans le cas des lasers) pour induire des transformations de la matière spécifiques et innovantes ayant un intérêt applicatif dans des domaines allant des matériaux au biomédical, en passant par l'énergie, le transport et l'environnement.

Ainsi, les plasmas de décharge sont des milieux ionisés obtenus par couplage d'énergie électromagnétique avec un gaz, plus rarement un liquide. Selon la pression (du microbar à plusieurs bars) et la façon de coupler l'énergie, ces plasmas peuvent être à l'équilibre thermo-dynamique (plasmas thermiques) ou hors équilibre. Dans les procédés lasers, c'est un faisceau laser qui interagit avec un matériau solide auquel l'énergie lumineuse est transférée pour induire des changements de phase allant jusqu'à l'évaporation et, pour de fortes intensités laser, à la formation d'un plasma dont l'étude fait appel à des approches similaires à celles utilisées pour les plasmas de décharge.

Même si les voies utilisées pour induire les transformations sont différentes (énergie électrique pour les plasmas de décharge, énergie radiative pour les procédés lasers) les recherches partagent un socle disciplinaire commun ainsi que le fait d'étudier des systèmes complexes sièges de nombreux phénomènes couplés. Ainsi, l'étude des plasmas et procédés lasers fait-elle intervenir des problématiques de physique des décharges (phénomènes de claquage), physique des plasmas (processus élémentaires et effets collectifs, interactions onde-plasma), physique des lasers, physique atomique et moléculaire, cinétique chimique, interaction plasma/ matériau et laser/matériau, phénomènes de transport qui doivent être traitées de façon couplée. Ce domaine demande donc une approche pluridisciplinaire et des chercheurs de disciplines différentes travaillent ensemble aux interfaces avec la science des matériaux, le génie des procédés, la thermique, la dynamique des fluides, la combustion et la santé.

Les plasmas froids/procédés lasers constituent une thématique de recherche très riche en enjeux scientifiques et applicatifs du fait de la variété des phénomènes physiques et chimiques couplés mis en jeu et de sa très vaste gamme d'applications industrielles et sociétales. Les travaux correspondants peuvent être déclinés selon leurs domaines d'application en cinq axes principaux :

– matériaux : gravure aux échelles micro- et nanométriques, dépôt de couches minces multifonctionnelles, nanostructurées et nanocomposites, synthèse de nanoparticules, nanotubes et nanofils, micro- et nanostructuration de surface, soudage, perçage et découpe de métaux, verre et autres matériaux par laser ou plasma thermique, fabrication additive 3D ;

– énergie : plasmas de bord et sources de neutres pour ITER, dépôt de couches minces pour les systèmes de conversion de l'énergie (cellules solaires photovoltaïques, dispositifs thermoélectriques) et de stockage de l'énergie (piles à combustible, microbatteries) ;

– environnement : conversion des polluants atmosphériques (NOx, COV), régénération des catalyseurs, combustion propre, décontamination bactérienne, vitrification des déchets ;

– transport : contrôle d'écoulements, déclenchement et contrôle de la combustion, propulsion spatiale (propulseurs plasmas) ;

– biologie et santé : stérilisation, effet antitumoral des plasmas in vitro et in vivo.

B. Moyens d'action et d'organisation

La communauté plasma-laser est répartie sur l'ensemble du territoire français, le plus souvent dans des équipes au sein de laboratoires traitant également d'autres disciplines (matériaux, combustion, énergie...) ce qui facilite les approches globales. La pluridisciplinarité de la thématique se traduit par l'appartenance de ces laboratoires et équipes à de nombreux GdR et Labex, le plus souvent centrés sur un domaine applicatif (énergie, matériaux, TIC, santé...). Parmi eux, les GdR ABIOPLAS (plasma/biologie/médecine) et ACO-CHOCOLAS (comportement des matériaux à hautes vitesses de déformation) sont construits autour de thématiques actuellement en plein essor.

Au niveau national, le « Réseau Plasmas Froids », créé en 2002 et rattaché à la Mission pour l'Interdisciplinarité (MI) du CNRS, est devenu au fil des années un élément structurant qui contribue à maintenir l'unité scientifique de ce domaine malgré la diversité de ses applications. On note par ailleurs des interactions fortes entre les communautés « plasmas froids/procédés lasers » de la section 10 et « plasmas chauds » de la section 4 au niveau des travaux de la Fédération ITER (interaction plasma/surface, turbulence et instabilités plasmas) et de l'interaction laser/matière. La communauté interagit aussi fortement avec les sections 8 (micro- et nanotechnologies, énergie électrique), 9 (ingénierie des matériaux) et 15 (chimie des matériaux, nanomatériaux et procédés). Notons enfin l'existence de deux laboratoires internationaux : le LITAP (France/Québec) et le LIPES (France/Luxembourg).

C. Recherches actuelles et axes de développement

Comme on l'a vu, les recherches menées par la communauté sont motivées par les propriétés physiques et physico-chimiques originales, uniques et versatiles, souvent liées à la grande richesse de processus élémentaires et aux comportements collectifs présents dans ces milieux. Ceci leur confère un potentiel d'applications assez exceptionnel dans nombre de domaines : matériaux, énergie, dépollution, transport, biomédical... Ainsi l'émergence et l'évolution des thématiques de recherche abordées par la communauté résultent d'un dialogue permanent entre études fondamentales et potentialités d'applications.

En corollaire, il est difficile de décliner les recherches en fonction de questions fonda-mentales ou d'applications et il nous a paru plus aisé de les décliner en fonction des quatre groupes thématiques relativement bien identifiés qui constituent la communauté plasmas-lasers de la section 10 : plasmas basse pression, plasmas atmosphériques hors équilibre, plasmas thermiques et procédés lasers.

Les recherches actuelles sur les plasmas basse pression portent sur les phénomènes de transport dans les plasmas magnétisés, les mécanismes d'attachement/détachement et les instabilités dans les plasmas électronégatifs (plasmas ions-ions), la cinétique chimique dans des plasmas réactifs de plus en plus complexes, tels que les plasmas diphasiques gaz/solide (nanoparticules ou poudres, qu'elles soient injectées ou formées au sein du plasma). La nécessité de contrôler les flux et énergies des différentes espèces (neutres, ions) conduit de plus à étudier de nouveaux modes de couplage de l'énergie : plasmas pulsés, excitation double fréquence, excitation à forme d'onde optimisée.

Les grands domaines d'application de ces plasmas sont la propulsion plasma, les sources de neutres chauds pour ITER et les traitements de matériaux pour la micro/nanoélectronique, la photonique, les dispositifs de conversion et de stockage de l'énergie. Les enjeux des applications faisant intervenir une interaction plasma/matériau sont la gravure sélective et contrôlée de matériaux complexes, la synthèse de nanoparticules, le dépôt de couches minces multifonctionnelles ou nanocomposites, la croissance épitaxiale à basse température...

Les plasmas atmosphériques hors équilibre attirent une attention croissante du fait de leur fort potentiel applicatif. Ce sont en effet des sources d'espèces actives (métastables, radicaux, UV...) fonctionnant à basse température et ne nécessitant pas de systèmes de pompage lourds. Ceci est un atout important pour certaines applications pour des raisons économiques mais aussi car les liquides et les matériaux biologiques, organiques et/ou naturels, ne peuvent être traités sous vide. Cependant, ces décharges sont naturellement filamentaires et créer une décharge homogène à la pression atmosphérique est un défi qui n'a pu être relevé que grâce à des études fondamentales de physique des décharges et à la conception de nouveaux modes de couplage de l'énergie au sein du gaz. Ceci a conduit au développement de nouvelles sources plasmas, elles-mêmes à l'origine de nouvelles applications. Ce domaine de recherche a connu ces dernières années des avancées très importantes au plan international avec un apport très fort des équipes françaises. Parmi ces nouvelles sources, on peut citer les décharges couronnes nanosecondes, les décharges à barrière diélectrique, les décharges dans les capillaires, les micro-décharges à cathode creuse et les micro-jets de plasma. Les domaines d'applications sont la dépollution (de gaz et liquides), l'aide à la combustion, le traitement de surface, la synthèse et la détection de nanoparticules (par injection d'aérosols) et les sources d'espèces pour applications biomédicales.

Les recherches en plasma/médecine n'ont cessé de prendre de l'importance ces dernières années. Après des études sur la stérilisation, sont apparues plus récemment les applications thérapeutiques des plasmas à la pression atmosphérique, sources d'espèces actives d'oxygène, d'azote et de photons UV, d'abord pour soigner des lésions de la peau, puis des lésions internes (dermato-cosmétologie et cancérologie). Après de premiers résultats cliniques prouvant leur efficacité, a commencé l'étude des mécanismes biologiques induits au niveau des cellules et tissus par ces espèces actives. En termes de plasmas, ceci implique de concevoir, réaliser et optimiser des sources d'espèces actives parfaitement contrôlées et calibrées, puis de développer des sources endoscopiques capables de fournir localement ces espèces actives dans le corps. La France est avec le Japon et les États-Unis pionnière dans ce domaine qui concerne maintenant au plan national un nombre important d'équipes réunies dans le GdR ABIOPLAS.

Les plasmas thermiques, créés à la pression atmosphérique (ou supérieure) et proches de l'équilibre thermodynamique (plasmas d'arcs) ont connu eux aussi de nouveaux développements tant fondamentaux qu'appliqués. Les études portent sur les phénomènes aux électrodes (spot cathodique, gaines, transfert d'énergie, changement de phase), les phénomènes de transport et de rayonnement dans des conditions hors équilibre ou dans les plasmas multiphasiques de compositions de plus en plus complexes. Un effort important a été consacré à la description du caractère 3D et fluctuant/turbulent de ces plasmas (tomographie et modèles numériques 3D). Un grand domaine d'application de ces plasmas con-cerne le dépôt de couches céramiques par projection thermique, les progrès récents portant sur le contrôle de la micro/nanostructure de ces couches. Alors que les applications aux disjoncteurs sont moins présentes, il apparaît de nouveaux enjeux dans le domaine du transport avec l'étude des décharges partielles et arcs mettant en défaut la sécurité dans la chaîne de production-gestion-distribution-utilisation qui tend à devenir « tout électrique ».

Les procédés laser se sont fortement développés ces dernières années avec l'arrivée de nouvelles technologies permettant d'atteindre de larges gammes de propriétés optiques et énergétiques. Les recherches portent d'une part sur le contrôle des propriétés du faisceau laser (polarisation, profilage temporel), et d'autre part sur la détermination de la dynamique, aux échelles de temps femto-seconde, de l'absorption et du transfert de l'énergie laser dans la matière et la transformation des matériaux. Elles sont aussi associées à la mise en œuvre des procédés qui implique leur automatisation et leur contrôle. On s'intéresse aussi au comportement en conditions extrêmes (température, pression) des matériaux, à la dynamique des changements de phase et aux cinétiques de solidification/transformation rapides produisant des microstructures hors d'équilibre thermodynamique.

Les procédés laser ont connu un très fort développement dans les domaines de la mécanique et de la microélectronique. Les nouveaux enjeux s'orientent vers les échelles nanométriques impliquant des lasers ultra-courts (nanofabrication, nanostructuration de surface) et/ou une plus large gamme de matériaux (composites, verres, métaux, céramiques, polymères, matériaux à gradient). Ceci ouvre leurs champs d'application à des domaines tels que l'électronique organique, la nanofabrication 3D, le biomédical, les transports du futur. L'ambition est également de développer des outils de simulation prédictifs allant jusqu'au comportement en service pour proposer de nouvelles méthodes de fabrication d'objets des plus petits aux plus grands.

Dans ce contexte très pluridisciplinaire avec de multiples domaines applicatifs, on note des tendances d'évolution communes à l'ensemble de la communauté plasmas/lasers : complexité croissante des systèmes étudiés (précurseurs complexes, milieux diphasiques...), évolution vers des échelles spatiales (micro- et nanométriques) et temporelles (décharges impulsionnelles, lasers ultra-courts...) de plus en plus petites. De plus, de nouveaux champs applicatifs sont apparus, tout particulièrement dans les domaines de l'énergie et du biomédical, ouvrant de nouvelles perspectives et soulevant de nouveaux défis. Il convient enfin de souligner que les avancées récentes dans la compréhension des mécanismes au sein du milieu et en interaction avec son environnement ont été obtenues grâce aux développements importants des diagnostics et des modélisations de ces milieux complexes et procédés associés. On a en particulier assisté à de réels progrès dans le domaine des diagnostics résolus spatialement et temporellement, tels que les diagnostics optiques d'émission ou d'absorption (dans les domaines infrarouge, UV-visible et X) qui ont bénéficié des progrès récents des sources de photons (diodes laser), des systèmes de détection (caméras rapides) et du développement de nouveaux grands instruments X-FEL et grands lasers.

Du côté de la modélisation, on assiste à un renouveau des études semi-analytiques pour fournir des modèles incorporables dans des codes de calcul, e.g. effets collectifs (dynamique des gaines), instabilités, processus collisionnels radiatifs, etc. En parallèle, des modèles numériques, fluides ou particulaires, de plus en plus intégratifs et détaillés couplant des effets allant du dépôt d'énergie à l'interaction avec le milieu extérieur sont développés et permettent de répondre à des questions fondamentales de plus en plus pointues et de traiter les situations complexes exigées par les applications visées. En particulier, les modèles fluides permettent désormais de prendre en compte les couplages entre phénomènes et/ou échelles : interaction onde-plasma et effets d'auto-organisation, transport anisotrope et instabilité dans les plasmas magnétisés, physico-chimie et transport dans les plasmas diphasiques, effets non-locaux de photo-ionisation et propagation d'ondes d'ionisation, effets 3D de dissymétrie et de ramification, etc. Par ailleurs, des progrès importants ont été réalisés dans la description de l'interaction plasma-laser/surface grâce à la mise en œuvre d'approches de dynamique moléculaire qui permettent d'accéder non seulement aux processus élémentaires mais aussi aux effets de synergie qui caractérisent cette interaction. Ainsi, la complexité des systèmes plasma-laser conduit à développer des approches de modélisation multiphysiques et multiéchelles avec un couplage de plus en plus fort avec les expérimentateurs.

D. Conclusion

La communauté plasma-laser mène des activités de recherche multidisciplinaires où études fondamentales et développement de procédés innovants se nourrissent mutuelle-ment. Elle est à l'interface avec d'autres disciplines et au cœur de multiples enjeux industriels et sociétaux dans les domaines de l'énergie, de l'environnement, des transports et de la santé. Elle étudie des systèmes de plus en plus complexes qui ne pourront être appréhendés de façon globale que grâce à de nouvelles avancées en termes de diagnostics et de modélisation mais aussi en consacrant du temps et des moyens à des études visant à la détermination de données de base. Ces études, primordiales pour aller plus avant dans la compréhension des systèmes complexes, sont cependant difficiles à financer dans le cadre actuel du paysage de la recherche.

La communauté plasma/laser française est très dynamique et largement reconnue au niveau international. Elle doit cependant veiller ces prochaines années à conserver un bon équilibre entre recherches amont s'appuyant sur des diagnostics et des modèles de plus en plus performants et sophistiqués et applications. Pour cela, il est important qu'elle puisse continuer à bénéficier de la dynamique de structures telles que le réseau national « Plasmas Froids » de la MI du CNRS et des GdR qui fédèrent les acteurs de la communauté. Le maintien du recrutement de chercheurs, ingénieurs et techniciens dans les laboratoires est également primordial. Enfin, alors que l'on observe un rôle de plus en plus important du pilotage de la recherche par les régions, il est capital de veiller à une cohérence nationale des moyens, tant au niveau des laboratoires que des plate-formes technologiques.