Получены данные о самоорганизации частиц в ультрахолодной пылевой плазме

Физики Объединенного института высоких температур РАН впервые исследовали поведение частиц в пылевой плазме при температуре ниже 2К, что соответствует -271°С. Результаты эксперимента в будущем могут быть использованы для создания новых материалов с заданными и контролируемыми свойствами. Результаты эксперимента были опубликованы в журнале Nature: Scientific Reports.

Ученые ОИВТ РАН совместно с коллегами из Филиала института энергетических проблем химической физики РАН им. В.Л. Тальрозе и МФТИ впервые в мире исследовали многокомпонентную пылевую плазму в положительном столбе тлеющего разряда при сверхнизких температурах (при температурах сверхтекучего гелия).

По словам одного из авторов работы, директора ОИВТ РАН Олега Петрова, в ходе эксперимента удалось впервые наблюдать пылевую плазму в газовом разряде, охлаждаемом сверхтекучим гелием, при температуре 1,6-2К. До сих пор пылевая плазма и даже газовые разряды не исследовались при температурах ниже 4,2К (температура жидкого гелия).

В ходе эксперимента производилось ионное распыление полимеров из специальной вставки и наблюдались явления самоорганизации, а именно формирование нанокластеров размерами менее 100 нм и полимерных волокон длиной до 5 мм и диаметром около 10 мкм. Полученные при экстремальных температурах волокна не разрушаются, попадая в нормальные условия.

«При сверхнизких температурах становится возможным прецизионно контролировать состав распыляемого материала, так как в этих условиях любые примеси «вымерзают», выпадая в осадок, — комментирует Олег Петров. — В итоге, в газообразном гелии при распылении вещества возможно получить сверхчистые материалы, и это может стать путем к получению волокон с новыми заданными свойствами: например, новых видов полимеров, которые невозможно получить обычным химическим путем. Такие материалы могут радикально отличаться от уже существующих».

Явления самоорганизации широко распространены в природе, и наблюдаются в различных по сложности и масштабу системах: от физических, исследуемых в наномире и в астрономии, до биологических, социальных и экономических. Такие явления характерны для так называемых открытых (неравновесных) систем, к которым относится в том числе и пылевая плазма, образованная заряженными частицами микронных размеров, удерживаемыми в плазме газового электрического разряда.

Интенсивное рассеяние лазерного излучения частицами позволяет наблюдать и исследовать системы, образованные заряженными частицами, отслеживая их координаты и скорости в реальном времени. Пылевая плазма является удобным инструментом для исследования разнообразных явлений, например, трехмерных и двумерных фазовых переходов, а также формирования нелинейных волн. По сравнению с альтернативными системами, например, кластерами микрокапель воды, левитирующими над разогретыми поверхностями, пылевая плазма дает уникальную возможность варьирования в широком диапазоне температуры плазмообразующего газа — газообразного гелия, и исследования влияния изменения температуры газа на свойства плазмы и происходящие в ней процессы.

Вопрос о нижней границе температур, при которых можно проводить экспериментальные исследования пылевой плазмы, до недавних пор оставался открытым. С этой точки зрения проведенный российскими физиками эксперимент по синтезу полимерных нанокластеров и волокон при температурах ниже 2К является первым и пока единственным в мировой практике: до сих пор были проведены лишь немногочисленные сравнительные исследования пылевой плазмы при температуре 4,2К.

Малая изученность плазмы газового разряда при температурах ниже 4,2К связана с тем, что проблемой является не только достижение температуры жидкого гелия, чтобы использовать его для охлаждения трубки, но также ограничение на мощность, выделяемую в разряде и приводящую к разогреву газообразного гелия. Эксперимент, который был проведен на установке, собранной на базе оптического криостата и предназначенной для изучения плазменно-пылевых структур при гелиевых температурах. В настоящий момент ученые ОИВТ РАН планируют продолжить эксперименты, и изучать явления самоорганизация в пылевой плазме при сверхнизких температурах с использованием различных дисперсных материалов.

Источник https://indicator.ru/news/2019/04/09/chastic-v-ultraholodnoj-plazme/