Aplicación de haces de iones pesados en el análisis y modificación de la superficie de materiales

Abstract

En el presente trabajo de tesis se estudió la interacción de los iones pesados con la materia para analizar y la modificar las propiedades físicas de la superficie de los materiales. En una primera parte se desarrolló un programa de simulación Monte Carlo para el análisis de datos de la técnica ERDA -Elastic Recoil Detection Analysis-. Como segunda parte se analizaron las propiedades específicas inducidas por los iones al penetrar materiales aisladores. En particular se investigaron los cambios físico-químicos producidos en diferentes polímeros. La técnica ERDA consiste en irradiar las muestras a estudiar con haces de iones pesados, provistos por un acelerador, y detectar los átomos expulsados por el choque elástico hazmuestra. La información sobre la profundidad de la cual provienen los átomos expulsados de la muestra se obtiene en forma similar a la técnica RBS, la cual se basa en la propiedad que tienen los iones de perder una gran cantidad de energía cuando atraviesan un dado espesor de material. En este trabajo se ha implementado esta técnica utilizando un detector telescópico E¡¢E. De la medición de la pérdida total de energía se obtiene información de la profundidad y de la pérdida de energía en el detector gaseoso ¢E se obtiene el valor de Z del elemento. Esta técnica es especialmente apropiada para analizar simultaneamente los elementos livianos presentes en matrices pesadas y para determinar en forma no destructiva la evolución de perfiles de diversos elementos en función de la profundidad. La simulación desarrollada en este trabajo permite analizar los espectros experimentales y obtener información relevante de la muestra como ser: composición, concentración en función de la profundidad, espesores de distintas capas, relaciones estequiométricas entre los elementos, etc. En la segunda parte de este trabajo, se irradiaron varios polímeros con haces de diferentes iones y energías con el fin de producir modificaciones en los mismos. A diferencia de las radiaciones ° y electrones, en el caso de los iones pesados, éstos depositan una altísima densidad de energía en un rango de sólo unos pocos micrones induciendo cambios físico-químicos muy complejos en la superficie del material irradiado. Estas perturbaciones inducidas por el ion son por ejemplo cortes de cadenas (chain scission), unión entre cadenas poliméricas (crosslinking), creación de radicales libres, etc. Fenómenos muy complicados de describir y que son generados en las proximidades del camino que recorre el ion, dentro del material. Los polímeros estudiados fueron: polifluoruro de vinilideno (PVDF), polietilenos de alta y baja densidad (PEAD y PEBD) y especialmente el polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) considerado uno de los biomateriales por excelencia ya que desde hace varias décadas se utiliza en el reemplazo de la articulación de cadera y rodilla. Las irradiaciones se realizaron utilizando el acelerador TANDAR, de 20 MV, y el del Instituto de Física de Porto Alegre, Brasil, de 3 MV, que cubren el rango de alta y baja energía. Los efectos de la irradiación se observaron mediante mediciones no destructivas utilizando espectroscopía del infrarrojo (FTIR) y se estudiaron los cambios de la cristalinidad, distintas estructuras químicas, cortes y enlaces de cadenas poliméricas como función del tipo de ion, energía y fluencia. Se determinó que existe un número particular de iones por unidad de área, denominado fluencia óptima, que depende fuertemente de las características de la radiación utilizada, para la cual se maximiza una determinada propiedad del material. Se desarrolló un código Monte Carlo para explicar este fenómeno, basandose en un modelo simple de deposición de la energía en las trazas iónicas, pudiéndose así explicar la correlación entre la fluencia óptima y el poder frenador de los iones.