Самоорганизация в экстремально холодной пылевой плазме привела к формированию волокон

Ученые впервые исследовали поведение частиц в пылевой плазме при температуре ниже двух кельвин, что соответствует примерно -271 градусу Цельсия. Эксперимент показал, что при столь низких температурах в плазме могут самостоятельно формироваться специфические структуры, такие как  нанокластеры и волокна, которые остаются стабильными при повышении температуры вплоть до комнатной. Результаты эксперимента в будущем могут быть использованы для синтеза новых материалов с заданными свойствами. Описание опытов опубликовано в журнале Scientific Reports.

Пылевая плазма — это многокомпонентная среда, состоящая из ионизованного газа и взвешенных в нем пылинок микроскопического размера. Присутствие твердых частиц может значительно изменять динамику плазмы, так как они, с одной стороны, обладают большей по сравнению с атомами массой, а с другой — могут быть подобно им заряженными. Сила электростатического взаимодействия между пылинками может меняться в значительном диапазоне, из-за чего состояние пылевой компоненты может быть и газообразным, и жидкоподобным, и аналогичным кристаллу, когда частицы расположены на фиксированных расстояниях друг от друга.

Пылевая плазма встречается в естественной среде космоса, например, в межзвездных туманностях и хвостах комет, но может и спонтанно образовываться в тлеющих разрядах, а также специально создаваться в лабораторных установках. В частности, эксперименты по исследованию пылевой плазмы в условиях микрогравитации проводились на орбитальной станции «Мир» и Международной космической станции, а также в разнообразных созданных на Земле условиях. У изучения свойств пылевой плазмы есть и практическая сторона: так, ее образование и последующее осаждение может происходить при производстве микросхем методом плазменного травления, что зачастую приводит к дефектам.

Интерес к пылевой плазме во многом связан именно с самопроизвольным возникновением структур. Например, плазменно-пылевые кристаллы, подобно обычным, могут плавиться и испаряться, что позволяет изучать фазовые переходы. С точки зрения теории феномен самоорганизации предсказывается для открытых неравновесных нелинейных систем с диссипацией, а взвешенные заряженные микроскопические частицы как раз являются примером такой системы. Это позволяет использовать пылевую плазму в качестве экспериментальной модели самоорганизации, которая возникает как в природных системах любого масштаба от наноразмерных до астрономических, так и в социальных и экономических процессах. Удобство этой модели во много обеспечивается возможностью непосредственного наблюдения координат и скоростей частиц, благодаря рассеивающемуся на них свету.

В работе под руководством директора Объединенного института высоких температур РАН Олега Петрова впервые исследуется многокомпонентная пылевая плазма при сверхнизких температурах. Авторы формировали систему из частиц оксида церия в гелиевой плазме тлеющего разряда, создаваемого постоянным током. В некоторых экспериментах добавлялись также полимерные наночастицы. При этом вся система охлаждалась жидким гелием, благодаря чему полученная пылевая плазма является рекордно холодной: было исследовано поведение системы при температуре от 1,63 до 2,16 кельвин.

Физики наблюдали разнообразные явления: газообразные и жидкоподобные состояния с двумя группами частиц, значительно отличающихся по скорости, вихри из быстрых частиц, волны плотности в облаке наночастиц, а также формирование твердых быстровращающихся спиралевидных волокон. Детальное изучение волокон показало, что они в длину могут достигать 5 миллиметров, в толщину — 22 микрон, а по структуре напоминают Архимедов винт. Химический анализ показал, что волокна частично соответствуют по составу диэлектрическому полимерному конусу, который вводился в экспериментальную область для стабилизации потока напряженности электрического поля. В этой связи ученые сравнивают процесс формирования структур с магнетронным распылением, при котором мишень разрушают плазмой магнетронного разряда при комнатной температуре для дальнейшего осаждения с получением тонких пленок. При этом процессе, так же, как и в описываемых опытах, состав получаемых структур может существенно отличаться от исходного распыляемого вещества.

«При сверхнизких температурах становится возможным прецизионно контролировать состав распыляемого материала, так как в этих условиях любые примеси "вымерзают", выпадая в осадок, — поясняет 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».

Эксперименты по исследованию пылевой плазмы продолжаются и на МКС. В прошлом году физики узнали, как электрическое поле влияет на форму колебаний плотности в такой среде. Необходимость исследовать поведение пыли в космических условиях обозначается во многих работах. Например, космическую пыль связывают со сбоями в работе спутников, а эксперименты в аналогичных условиях помогают моделировать образование планет. Другие необычные явления в плазме также не в первый раз привлекают внимание ученых. В частности, недавно индийские физики получили плазменный «фаербол».

Тимур Кешелава