Pour commencer, il est nécessaire de distinguer le plasma froid du plasma chaud. Le plasma est le quatrième état de la matière, constitué d'un gaz ionisé contenant des électrons et des ions libres. Le plasma contient également des particules neutres. Dans un plasma froid, il existe un état de non-équilibre où les électrons sont à une température élevée de plusieurs milliers de degrés, tandis que les ions sont à température ambiante. Cela pourrait être possible en plaçant une surface diélectrique entre les deux électrodes, comme dans une configuration de décharge à barrière diélectrique (DBD). Dans un plasma chaud, il existe un équilibre entre les électrons et les ions, tous deux à des températures élevées de plusieurs milliers de degrés. Le plasma froid est utilisé dans le nettoyage et le traitement des surfaces, tandis que le plasma chaud est utilisé dans les applications industrielles et la recherche sur la fusion. Le plasma froid est plus spécifiquement utilisé dans des secteurs tels que l'automobile, l'emballage, le textile et l'agroalimentaire, où il permet le nettoyage, l'activation et la stérilisation des surfaces [Référence 1]. Le plasma chaud, quant à lui, est plus spécifiquement utilisé dans des secteurs tels que la découpe des métaux, le soudage et le traitement des déchets, où des températures de plusieurs milliers de degrés sont nécessaires [Référence 1].
La figure ci-dessous montre une représentation de plasma froid (jet de plasma) et on peut voir que l'exposition au plasma ne brûle pas le doigt.
Figure 1 : Le jet de plasma est un exemple de plasma froid [Référence 2]
Il faut également faire la distinction entre le plasma basse pression qui nécessite une chambre à vide et le plasma à pression atmosphérique qui fonctionne à pression atmosphérique comme son nom l'indique.
Chaque type de plasma présente ses avantages et ses inconvénients. Le plasma basse pression, nécessitant une chambre à vide, le rend plus coûteux et plus complexe à exploiter, mais le plasma généré est plus uniforme et sa dispersion est plus large. Le plasma à pression atmosphérique est plus polyvalent et moins coûteux, mais il n'est pas uniforme et sa dispersion est plus faible. Cet article se concentre sur le plasma froid à pression atmosphérique.
En agriculture, les impératifs de productivité et de sécurité jouent un rôle important. Les principales productions agricoles pouvant être traitées au plasma sont les céréales et les légumineuses. On prévoit une augmentation de 11 % du commerce des céréales d'ici 2032 [Référence 3]. Cependant, les pertes dues au changement climatique peuvent menacer la disponibilité de la production. Des méthodes plus efficaces doivent être employées pour lutter contre les maladies affectant les cultures et accroître l'efficacité de la production afin de compenser les pertes liées au changement climatique. La technologie du plasma froid est une technologie appropriée qui peut contribuer à éradiquer les maladies des cultures et à accroître la productivité. Les principales cultures céréalières pouvant être traitées sont le blé, le maïs et le riz. La méthode DBD au plasma froid garantit que les grains de céréales exposés ne sont pas brûlés, mais qu'ils sont stérilisés, comme illustré à la figure 2 [Référence 4].
Figure 2 : Exposition du grain de riz au plasma froid [Référence 4]
Plusieurs études de recherche ont montré que l'exposition du riz, du blé et du maïs au plasma froid améliore la germination des graines et détruit les infections fongiques. La technologie du plasma froid pourrait également être appliquée aux légumineuses telles que les arachides, les pois, les lentilles, les haricots verts et le soja. D'autres applications sont le traitement au plasma froid des plantes ligneuses telles que l'épicéa et le pin, qui sont les deux espèces de conifères les plus abondantes en Europe. Elles ont également été appliquées aux plantes médicinales telles que le chanvre et la coriandre. La figure ci-dessous montre des graines de maïs passant à travers un plasma à couplage inductif à basse pression [Référence 3].
Figure 3 : Exposition des graines de maïs au plasma basse pression [Référence 3]
L'exposition au plasma a plusieurs effets sur les graines placées sous lui [Référence 3]. Les voici :
· Effets physiques
· Effets chimiques
· Décontamination des agents pathogènes
· Stimuler la physiologie des plantes
Effets physiques : Il faut s'assurer que la température à la surface ne dépasse pas 60° C sinon la graine brûlera. Des études sur des graines exposées à un plasma froid ont prouvé que la température sur la peau était en fait inférieure à 60° C. Les études au microscope électronique à balayage (MEB) des graines montrent que l'exposition au plasma froid réduira la teneur en carbone et augmentera la teneur en oxygène, il s'agit donc essentiellement d'un effet d'oxydation.
Effets chimiques : Les effets chimiques étaient dus à la transformation de la couche externe due à l'oxydation et à la nitration avec des espèces réactives. Il s'agit essentiellement d'un effet de gravure oxydative. Le MEB a été utilisé pour surveiller l'effet de l'exposition au plasma et il semble que l'érosion oxydative provoque l'oxydation chimique et l'élimination des composants moléculaires de l'enrobage de la graine, ce qui entraîne une perte de poids.
Décontamination des agents pathogènes : La contamination fongique peut altérer considérablement la qualité et la longévité des semences. De plus, les semences peuvent être porteuses passives d'agents pathogènes et les transmettre aux plantes en croissance lorsque les conditions sont favorables. L'exposition au plasma froid pourrait stériliser les semences et détruire l'infection fongique. Cependant, l'efficacité dépend de la complexité de la surface de la graine. En présence de crevasses et de fissures à la surface, l'efficacité du traitement diminuera, car les bactéries sont protégées de l'exposition au plasma en se cachant dans les fissures. L'image ci-dessous illustre l'effet de l'exposition au plasma sur les semences [Référence 4].
Figure 4 : Effets utiles de l'exposition au plasma froid sur les graines [Référence 4]
Conclusions : La technologie du plasma froid à pression atmosphérique est prometteuse pour améliorer la germination et protéger les semences agricoles contre les infections fongiques et microbiennes. L'un des défis consiste à accroître l'échelle des réacteurs à plasma, ce qui peut être réalisé en utilisant des tuiles dans les électrodes. Cette technologie est très prometteuse.
Références :
1- Techniques plasma avancées : transformer les applications industrielles
3- Le plasma non thermique comme technologie respectueuse de l'environnement pour l'agriculture : une revue et une feuille de route, F.Bilea et.al, Revues critiques dans Plant Sciences 2024, VOL. 43, nO. 6, 428–486]
4- Traitement au plasma par décharge à barrière diélectrique (DBD) pour la désinfection microbienne et la germination améliorée des graines de riz, M. Mukherji et al, Recherche appliquée en alimentation Volume 5, Issue 1, juin 2025, 100854
Auteur : Dr Rez Mani PhD