Madala temperatuuriga plasma saamine, plasmavälja kristallidega tutvumine. Tolmune plasma vihjab elumolekulile

Novembris teatati, et Plasma Crystal eksperiment ISS-il lõpetatakse. Katse jaoks paigutati spetsiaalsed seadmed kaubalaev"Albert Einstein" ja põles koos temaga ülal vaikne ookean. Sellega lõppes ilmselt kõige kuulsama kosmoseeksperimendi pikk lugu. Ma tahan sellest rääkida ja ISS-i teadusest üldiselt rääkida.

Kus on avastused?

Kõigepealt peate tegema mõnevõrra demotiveeriva sissejuhatuse. Kaasaegne teadus- ei ole arvutimäng, kus põhimõtteliselt pole asjatut uurimistööd ja iga avastus annab märgatava boonuse. Ja paraku on möödas ajad, mil üksildane geenius nagu Edison suutis üksi leiutada palju elu muutvaid seadmeid. Nüüd on teadus metoodiline liikumine pimesi mööda kõiki olemasolevaid radu, mida teevad suured organisatsioonid, kestab aastaid ja võib viia nulltulemusteni. Seetõttu näib regulaarselt, populaarteaduslikuks kohandamata avaldatav teave ISS-i uuringute kohta ausalt öeldes väga igav. Samal ajal on mõned neist katsetest tõeliselt huvitavad ja kui need ei tõota meile kohe vapustavaid tulemusi, annavad nad lootust paremini mõista, kuidas maailm toimib ja kuhu peaksime jõudma uute fundamentaalsete ja rakenduslike avastusteni. .

Katse idee

On teada, et aine võib eksisteerida neljas faasis – tahkes, vedelas, gaasilises ja plasmas. Plasma moodustab 99,9% Universumi massist, alates tähtedest kuni tähtedevahelise gaasini. Maal on plasma välk, Virmalised ja näiteks gaaslahenduslambid. Väga levinud on ka tolmuosakesi sisaldav plasma – need on planeedirõngad, komeedi sabad, tähtedevahelised pilved. Ja eksperimendi idee oli luua kunstlikult tolmu mikroosakestega plasma ja jälgida selle käitumist maa gravitatsiooni ja mikrogravitatsiooni tingimustes.

Katse esimeses versioonis (pildil) valgustati tolmuse plasmaga ampulli Päikese kiirtega, plasmas leiduvat tolmu valgustati laseriga ning valgustatud ala filmiti kaameraga. Seejärel kasutati keerukamaid eksperimentaalseid seadistusi. “Must tünn”, mis põles koos “Albert Einsteiniga”, oli juba kolmanda põlvkonna installatsioon.

tulemused

Mikrogravitatsioonitingimustes tehtud katsed täitsid teadlaste lootused – tolmune plasma muutus struktuurilt kristalseks või ilmutas vedelike omadusi. Erinevalt ideaalsest gaasist, milles molekulid liiguvad kaootiliselt (vt soojusliikumine), on tolmune plasma, mis on gaas, tahkete ainete ja vedelad kehad- võimalikud on sulamis- ja aurustumisprotsessid.
Samas tuli ette ka ootamatuid avastusi. Näiteks võib kristallisse tekkida õõnsus. Miks on siiani teadmata.


Kuid kõige ootamatum avastus oli see, et tolmune plasma moodustas teatud tingimustel DNA-ga sarnaseid spiraalseid struktuure! Võib-olla on isegi elu tekkimine Maal kuidagi seotud tolmuplasmaga.

Väljavaated

Plasmakristalli katse paljude aastate uuringute tulemused näitavad põhilist võimalust:

• Unikaalsete omadustega nanomaterjalide moodustumine tolmuses plasmas.
• Materjalide ladestamine tolmusest plasmast aluspinnale ja uut tüüpi katete saamine - mitmekihiline, poorne, komposiit.
• Õhu puhastamine tööstus- ja kiirgusemissioonidest ning mikroskeemide plasmasöövitamise ajal.
• Elutute esemete plasma steriliseerimine ja lahtised haavad elusolendite peal.

Kahjuks saab kogu see ilu kättesaadavaks mitte varem kui kümne aasta pärast. Sest töö tulemuste põhjal on vaja ehitada eksperimentaalseid rakendusinstallatsioone, prototüüpe, teha teste või kliinilisi uuringuid ning korraldada masstootmist.

Nõukogude orbitaaljaamas Mir alanud legendaarset eksperimenti jätkati ISS-il uute seadmetega. Hiljuti kosmosejaama pardale tarnitud ainulaadne seade on täiendav gaasivoolu regulaatori seade. See võimaldab saada täpsemaid tulemusi plasma uurimise käigus ja suurendab selle puhtust. Andmed selle kohta, mis on tolmune plasma, võimaldavad saada senitundmatut teavet universumi kohta, luua kompaktseid energiapatareisid ja lasereid ning arendada uus tehnoloogia teemantide kasvatamine ja olla ka plasmameditsiini väljatöötamise aluseks.

Iga aine võib eksisteerida neljas faasis – tahkes, vedelas, gaasilises ja plasmas. Plasma moodustab enam kui 99% universumi nähtavast massist tähtedest tähtedevahelise gaasini. Tolmuosakesi sisaldav plasma on kosmoses väga levinud – need on planeedirõngad, komeedi sabad, tähtedevahelised pilved.

Plasma uurimine mitme mikroni suuruste mikroosakestega (tolmuosakesed) ja selle käitumise jälgimine mikrogravitatsiooni tingimustes, mille puhul toimub mikroosakeste massi peaaegu täielik kompenseerimine, on kestnud juba üle kahe aastakümne. Veel 1998. aasta jaanuaris viisid Venemaa orbitaalkompleksis Mir kosmonaudid Anatoli Solovjov ja Pavel Vinogradov läbi Plasma Crystal-1 (PK-1) installatsiooniga esimese katse, et uurida plasma-tolmu struktuuride, sealhulgas plasmakristallide ja vedelike füüsikat. Sama aasta augustis alustas Mir uuringutega PK-2 seadmeid, mis koosnesid gaaslahendustorust ja katset videosalvestusseadmest. 2001. aasta märtsis viisid Sergei Krikalev ja Juri Gidzenko läbi esimese katseseansi ISS-il, kasutades Vene ja Saksa spetsialistide ühiselt loodud PK-3 installatsiooni. Esimesed katsetused uue installatsiooni "Plasma Crystal-4" kallal, mille lõid samuti ühiselt Venemaa Teaduste Akadeemia Kõrgete Temperatuuride Ühendinstituudi (JIHT) ja Saksa Kosmoseagentuuri (DLR) teadlased, algasid 2015. aasta juunis. Uurimisprotsessi käigus tuvastati vajadus seda installatsiooni täiustada. Selle aasta juulis tarniti ISS-ile lisavarustust, et parandada Plasma Crystal-4 eksperimendi kvaliteeti.

Teadlaste eesmärk on saada ja uurida plasma-tolmu kristalle ja muid plasmas olevaid järjestatud struktuure. Eelkõige võimaldab see uurida prototähtedes, protoplanetaarsetes rõngastes ja teistes taevakehades toimuvate protsesside seaduspärasusi. Katsete käigus viiakse gaaslahendustorus neoon- või argooniplasmasse kindla suurusega (mitu mikromeetrise läbimõõduga) mikroskoopilisi osakesi. Kui mikroosakesed sisenevad plasmasse, koguvad nad elektrone ja positiivseid ioone, mille tulemusena tekib elektronide suurema liikuvuse tõttu negatiivne laeng. Mikroosakesed tõrjuvad üksteist ja moodustavad erinevaid kolmemõõtmelisi struktuure. Selliseid uuringuid ei saa Maal läbi viia, kuna tolmuosakesed on allutatud gravitatsioonile ja võivad moodustada kas kahemõõtmelisi struktuure või väga deformeerunud (kokkusurutud) kolmemõõtmelisi struktuure.

Hoolimata asjaolust, et tolmuse plasma uurimise kahekümneaastase ajaloo jooksul on saadud palju uusi huvitavaid andmeid, ei ole siiani õnnestunud luua täielikku matemaatiline mudel iseorganiseeruvate osakeste käitumine. Venemaa Teaduste Akadeemia Kõrgete Temperatuuride Ühendinstituudi ja DLRi teadlaste välja töötatud uued seadmed võimaldavad teha puhtamaid katseid, vähendades plasmat moodustavat gaasivoolu kümneid kordi. Nüüd on võimalik gaasirõhkude vahemikku laiendada ja saada uusi teadmisi tolmuses plasmas toimuvate protsesside kohta.

Kui mikroosakesed on plasmas, mõjuvad neile mitmed jõud. Üks peamisi on elektriline, mis mõjutab osakest tühjendusväljas. Teine on ioonide kaasahaaramise jõud. Kolmas on hõõrdumine gaasiga: kui keha satub atmosfääri, siis kaotab ta kiiruse just tänu sellele, ütles Izvestijale Venemaa Teaduste Akadeemia Kõrgete Temperatuuride Ühendinstituudi vanemteadur Andrei Lipajev. - Vastavalt sellele, kui korraldame voolurežiimi, tekib mingi tuul, mis kannab osakesed minema. Seade, mida algselt kasutati voolu blokeerimiseks, hakkas kosmoseeksperimendi keerulistes tingimustes töötamise ajal tekitama märkimisväärset gaasileket ja osakesed kandsid vooluga lihtsalt minema.

Selle probleemi lahendamiseks on JIHT RAS-i ja DLR-i spetsialistid välja töötanud lisaseadme, mis võimaldab välise rõhuregulaatori ja kahe lisaventiili abil täielikult gaasivoolu juhtida. Sel viisil on võimalik saavutada osakeste stabiilne asend. Selle tulemusena avanes teadlastel võimalus katsetingimusi täielikult kontrollida.

Võime öelda, et seni pole meil lihtsalt õnnestunud saada vajalikku kontrolli gaasivoolu ja seega ka kvaliteetsete tulemuste üle. Varem oli lihtsalt võimatu töötada osakestega, mis olid väiksemad kui 3 mikronit. Samal ajal on just umbes 1 mikroni suurused osakesed huvitavad selliste protsesside uurimise seisukohalt nagu näiteks struktuuride teke, märkis Andrei Lipajev.

ISS-ile on juba paigaldatud uued seadmed ja pilt edastatakse pardalt missiooni juhtimiskeskusesse. Venemaa Teaduste Akadeemia Kõrgete Temperatuuride Ühendinstituudi töötajad saavad katsest telemeetria ja video, samuti töötavad helisidekanalid ISS-i juhatusega - saab kuulda, kuidas läbirääkimised käivad. Hiljuti viidi lõpule uus mitmepäevane katse, milles kasutati plasmas leiduvate tolmuosakeste uurimiseks lisaseadmeid, ja see vastas ootustele. Nüüd juhivad teadlased üksikasjalik analüüs selle tulemused.

Nagu ütles Izvestijale Venemaa Teaduste Akadeemia Kõrgete Temperatuuride Ühendinstituudi direktor Oleg Petrov, aitavad eksperimendi käigus saadud andmed mõista iseorganiseerumisprotsesside olemust.

Meie uuritav süsteem on avatud hajutav süsteem: seal on pidev energia sissevool ja pidev väljavool. Sellised süsteemid on iseloomulikud kõigile elusorganismidele. Mis selle süsteemiga toimub, millised iseorganiseerumisnähtused selles on? Seda kõike saab ja tuleb uurida,” märkis Oleg Petrov.

Andmed selle kohta, mis on tolmune plasma, võivad anda suurt praktilist kasu: need võimaldavad eelkõige luua uusi kompaktseid energiapatareisid ja lasereid ning arendada tehnoloogiat teemantide kasvatamiseks mikrogravitatsiooni tingimustes. Samuti on ISS-i pardalt tulevad andmed olulised plasmameditsiini arendamiseks, mille olemus seisneb selles, et madala temperatuuriga plasma suudab algatada, stimuleerida ja juhtida elussüsteemides keerulisi biokeemilisi protsesse.

PK-4 eksperiment viiakse läbi Roscosmose ja Euroopa Kosmoseagentuuri toel.

Akadeemik V. FORTOV, Äärmusriikide Termofüüsika Instituudi direktor Vene akadeemia Sci.

2005. aasta aprillis sai akadeemik Vladimir Jevgenievitš Fortov maineka rahvusvahelise auhinna - kuldmedal Albert Einsteini nimeline, pälvis talle silmapaistva panuse eest füüsikateaduse ja rahvusvahelise teaduskoostöö arendamisel. Akadeemik Fortovi teaduslikud huvid on aine äärmuslike olekute, sealhulgas plasma füüsika valdkonnas. Peale tumeaine on plasma kõige levinum aine olek looduses, hinnanguliselt on selles olekus 95% Universumi tavaainest. Tähed on plasma, ioniseeritud gaasi tükid, mille temperatuur on kümneid ja sadu miljoneid kraadi. Plasma omadused on aluseks kaasaegsed tehnoloogiad, mille ulatus on ulatuslik. Plasma kiirgab elektrilahenduslampides valgust ja loob plasmapaneelides värvilise pildi. Plasmareaktorid kasutavad plasmavooge mikrokiipide tootmiseks, metallide kõvendamiseks ja pindade puhastamiseks. Plasmatehased töötlevad jäätmeid ja toodavad energiat. Plasmafüüsika on aktiivselt arenev teadusvaldkond, mille uurimistööd jätkuvad tänaseni. hämmastavaid avastusi, on täheldatud ebatavalised nähtused, mis nõuab mõistmist ja selgitusi. Üks huvitavamaid nähtusi, mis hiljuti madala temperatuuriga plasmas avastati, on "plasmakristalli", st peenosakeste - plasmatolmu - ruumiliselt järjestatud struktuuri moodustumine.

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Kosmonautid S. Krikalev ja Yu. Gidzenko paigaldavad ISSile Plasma Crystal seadmed (2001).

MIS ON TOLMNE PLASMA?

Tolmuplasma on ioniseeritud gaas, mis sisaldab tolmuterasid – tahke aine osakesi. Sellist plasmat leidub sageli kosmoses: planeedirõngastes, komeedi sabades, planeetidevahelistes ja tähtedevahelistes pilvedes. Ta leiti lähedalt tehissatelliite Maa ja magnetiliselt suletud termotuumaseadmete seinalähedases piirkonnas, samuti plasmareaktorites, kaaredes, heidetes.

Tolmuplasma sai esimest korda laboritingimustes ameeriklane Irving Langmuir eelmise sajandi 20. aastatel. Kuid seda hakati aktiivselt uurima alles viimasel kümnendil. Suurenenud huvi tolmuse plasma omaduste vastu tekkis plasmapihustus- ja söövitustehnoloogiate väljatöötamisega mikroelektroonikas, samuti õhukeste kilede ja nanoosakeste tootmisega. Elektroodide ja tühjenduskambri seinte hävimise tagajärjel plasmasse sattuvate tahkete osakeste olemasolu ei põhjusta mitte ainult pooljuhtkiipide pinna saastumist, vaid häirib ka plasmat, sageli ettearvamatul viisil. Nende negatiivsete nähtuste vähendamiseks või ärahoidmiseks on vaja mõista, kuidas toimuvad gaaslahendusplasmas kondenseerunud osakeste moodustumise ja kasvu protsessid ning kuidas plasma tolmuosakesed mõjutavad tühjenemise omadusi.

PLASMAKRISTALL

Tolmuosakeste mõõtmed on suhteliselt suured - mikroni murdosadest mitmekümne, mõnikord sadade mikroniteni. Nende laeng võib olla äärmiselt suur ja ületada elektroni laengu sadu ja isegi sadu tuhandeid kordi. Selle tulemusena võib osakeste keskmine Coulombi interaktsioonienergia, mis on võrdeline laengu ruuduga, oluliselt ületada nende keskmist soojusenergiat. Tulemuseks on plasma, mida nimetatakse väga ebaideaalseks, kuna selle käitumine ei allu ideaalse gaasi seadustele. (Tuletame meelde, et plasmat võib pidada ideaalseks gaasiks, kui osakeste interaktsioonienergia on palju väiksem nende soojusenergiast).

Tolmulise plasma tasakaaluomaduste teoreetilised arvutused näitavad, et teatud tingimustel "võtab üle" tugev elektrostaatiline interaktsioon madala soojusenergiaga ja sunnib laetud osakesi teatud viisil ruumis reastuma. Moodustub korrastatud struktuur, mida nimetatakse Coulombi ehk plasmakristalliks. Plasmakristallid on sarnased vedeliku või tahke aine ruumiliste struktuuridega. Siin võib juhtuda faasisiirded nagu sulamine ja aurustamine.

Kui plasma tolmuosakesed on piisavalt suured, plasma kristall saab jälgida palja silmaga. Varasemates katsetes registreeriti kristallstruktuuride moodustumine raua ja alumiiniumi mikromeetri suuruste laetud osakeste süsteemis, mida hoidsid vahelduvad ja staatilised elektriväljad. Hilisemates töödes vaadeldi makroosakeste Coulombi kristalliseerumist nõrgalt ioniseeritud kõrgsageduslahendusega plasmas madalal rõhul. Elektronide energia sellises plasmas on mitu elektronvolti (eV) ja ioonide energia on lähedane toatemperatuuril olevate aatomite soojusenergiale (~ 0,03 eV). Selle põhjuseks on asjaolu, et elektronid on liikuvamad ja nende neutraalsele tolmuosakesele suunatud voog ületab oluliselt ioonide voogu. Osake "püüab" elektrone ja hakkab negatiivselt laadima. See kogunenud negatiivne laeng põhjustab omakorda elektronide tõrjumise ja ioonide ligitõmbamise. Osakese laeng muutub, kuni elektronide ja ioonide vood selle pinnal muutuvad võrdseks. Kõrgsageduslahendustega tehtud katsetes oli tolmuosakeste laeng negatiivne ja üsna suur (suurusjärgus 10 4 - 10 5 elektroni laengut). Alumise elektroodi pinna lähedal hõljus laetud tolmuosakeste pilv, kuna seal loodi tasakaal gravitatsiooni- ja elektrostaatiliste jõudude vahel. Mitme sentimeetrise pilve läbimõõduga vertikaalsuunas oli osakeste kihtide arv mitukümmend ja osakeste vaheline kaugus mitusada mikromeetrit.

TELLITUD STRUKTUURID TERMILISES PLASMAS...

Alates 1991. aastast on Venemaa Teaduste Akadeemia Äärmusseisundite Termofüüsika Instituut (ITES RAS) uurinud tolmust plasmat ja loonud selle diagnostikaks erinevaid meetodeid. Uuritud tolmune plasma erinevad tüübid: termiline plasma, hõõguvate ja kõrgsageduslahenduste gaaslahendusplasma, fotoemissioon ja tuumaergastusega plasma.

Atmosfäärirõhul gaasipõleti leegis tekkiva termilise plasma temperatuur on 1700–2200 K ning elektronide, ioonide ja neutraalsete osakeste temperatuurid selles on võrdsed. Uuriti tseeriumdioksiidi (CeO 2) osakeste käitumist sellise plasma voolus. Selle aine eripära on see, et elektronid lendavad selle pinnalt üsna kergesti minema – elektronide tööfunktsioon on vaid umbes 2,75 eV. Seetõttu laetakse tolmuosakesi nii plasmast tulevate elektronide ja ioonide voogude kaudu kui ka termioonilise emissiooni tõttu - kuumutatud osakese elektronide emissioon, mis tekitab positiivse laengu.

Makroosakeste ruumilisi struktuure analüüsiti laserkiirguse abil, mis annab korrelatsioonifunktsiooni g(r), mille tähendus on järgmine. Kui fikseerite ühe osakese asukoha ruumis, näitab funktsioon mõne teise osakese leidmise tõenäosust kaugelt r sellest ühest. Ja see võimaldab teha järelduse osakeste ruumilise paigutuse kohta - kaootiline või korrastatud, mis on iseloomulik vedelatele ja kristallilistele struktuuridele.

Tüüpilised korrelatsioonifunktsioonid g(r) CeO2 osakeste jaoks aerosooljoas toatemperatuuril ja plasmas on näidatud joonisel fig. 1. Kõrgel plasmatemperatuuril (2170 K) ja makroosakeste madalal kontsentratsioonil (b) on korrelatsioonifunktsioon peaaegu samasugune kui tavalise aerosooli joa puhul toatemperatuuril (a). See tähendab, et plasmas olevad osakesed interakteeruvad nõrgalt ja korrastatud struktuuride teket ei toimu. Madalama plasmatemperatuuri (1700 K) ja suurema osakeste kontsentratsiooni korral omandab korrelatsioonifunktsioon vedelikule iseloomuliku kuju: on selgelt väljendunud maksimum, mis näitab lähijärjekorra olemasolu osakeste paigutuses (c) . Selles katses oli osakeste positiivne laeng umbes 1000 korda suurem kui elektroni laeng. Struktuuri suhteliselt nõrk järjestamine on seletatav plasma lühikese elueaga (umbes 20 tuhandikku sekundit), mille jooksul ei jõua plasmakristalli moodustumise protsess lõpule viia.

...JA HÄRGENDAMINE

Termilises plasmas on kõigi osakeste temperatuur sama, kuid hõõguva gaaslahenduse plasmas on olukord erinev - elektronide temperatuur on palju kõrgem kui ioonide temperatuur. See loob eeldused tolmuse plasma korrastatud struktuuride – plasmakristallide tekkeks.

Hõõguvas gaasilahenduses tekivad teatud tingimustel seisvad kihid - paigalseisvad ebaühtlase heledusega tsoonid, mis vahelduvad korrapäraselt tumedate intervallidega. Elektronide kontsentratsioon ja elektriväli on kogu kihi pikkuses väga ebahomogeensed. Seetõttu moodustub iga kihi ülaosas elektrostaatiline lõks, mis vertikaalses asendis oleva tühjendustoruga suudab peenosakesi positiivse lahendussamba piirkonnas kinni hoida.

Struktuuri moodustumise protsess on järgmine: anumast tühjendusse valatud mikronisuurused osakesed laetakse plasmas ja reastatakse konstantsete tühjendusparameetrite juures määramatult kauaks püsivaks struktuuriks. Laserikiir valgustab osakesi horisontaal- või vertikaaltasandil (joonis 2). Ruumilise struktuuri teket salvestab videokaamera. Üksikuid osakesi saab näha palja silmaga. Katses kasutati mitut tüüpi osakesi – õõnsaid borosilikaatklaasist mikrosfääre ja melamiinformaldehüüdi osakesi läbimõõduga üks kuni sada mikromeetrit.

Kihi keskele tekib kuni mitmekümne millimeetrise läbimõõduga tolmupilv. Osakesed paiknevad horisontaalsetes kihtides, moodustades kuusnurkseid struktuure (joonis 3a). Kihtide vahelised kaugused on vahemikus 250 kuni 400 mikronit, osakeste vahelised kaugused horisontaaltasandil - 350 kuni 600 mikronit. Osakeste jaotusfunktsioon g(r) sellel on mitu väljendunud maksimumi, mis kinnitab kaugjärjekorra olemasolu osakeste paigutuses ja tähendab kristalse struktuuri teket, kuigi plasma tolmukristallid palja silmaga selgelt nähtav.

Tühjendusparameetrite muutmisega saate mõjutada osakeste pilve kuju ja isegi jälgida üleminekut kristalsest olekust vedelikuks (kristalli "sulamine") ja seejärel gaasiks. Kasutades mittesfäärilisi osakesi - nailonist silindreid pikkusega 200-300 mikronit - oli võimalik saada ka vedelkristallile sarnane struktuur (joonis 4).

TOLMUNE PLASMA KOSMOSIS

Maal takistab plasmakristallide edasist uurimist gravitatsioon. Seetõttu otsustati alustada katseid kosmoses, mikrogravitatsiooni tingimustes.

Esimese katse viisid läbi kosmonaudid A. Ya. Solovjov ja P. V. Vinogradov Venemaa orbitaalkompleksil "Mir" 1998. aasta jaanuaris. Nad pidid uurima järjestatud plasma-tolmu struktuuride teket kaaluta olekus mõjul päikesevalgus.

Neooniga täidetud klaasampullid sisaldasid tseesiumiga kaetud sfäärilisi pronksosakesi rõhul 0,01 ja 40 Torr. Ampull asetati illuminaatori lähedale, loksutati ning laseriga valgustatud osakeste liikumine salvestati videokaamera abil. Vaatlused on näidanud, et algul liiguvad osakesed kaootiliselt ja seejärel ilmneb suunatud liikumine, mis on seotud plasma difusiooniga ampulli seintele.

Avastati veel üks huvitav fakt: mõni sekund pärast ampulli loksutamist hakkasid osakesed kokku kleepuma, moodustades aglomeraate. Päikesevalguse mõjul aglomeraadid lagunesid. Aglomeratsioon võib olla tingitud asjaolust, et valgustuse algushetkedel omandavad osakesed vastupidised laengud: positiivsed - fotoelektronide emissiooni tõttu, negatiivsed - laetud teistest osakestest emiteeritud plasma elektronide voogudega - ja vastupidiselt laetud osakesed kleepuvad kokku. .

Makroosakeste käitumist analüüsides on võimalik hinnata nende laengu suurust (umbes 1000 elektroni laengut). Enamikul juhtudel moodustasid osakesed ainult vedela struktuuri, kuigi mõnikord tekkisid kristallid.

1998. aasta alguses võeti vastu otsus viia Rahvusvahelise Kosmosejaama (PC MKC) Venemaa segmendi pardal läbi Vene-Saksa ühine plasmakristallkatse. Eksperimendi panid paika ja valmistasid ette Venemaa Teaduste Akadeemia Äärmusriikide Termofüüsika Instituudi teadlased Max Plancki Maavälise Füüsika Instituudi (Saksamaa) ja Energia raketi- ja kosmosekorporatsiooni osalusel.

Seadme põhielemendiks on vaakumplasmakamber (joonis 5), mis koosneb kahest terasest ruudukujulisest plaadist ja klaasdetailidest ruudukujuline sektsioon. Kõrgsagedusliku tühjenemise tekitamiseks on igale plaadile paigaldatud ketaselektroodid. Elektroodidel on sisseehitatud seadmed tolmuosakeste plasmasse süstimiseks. Kõik optiline süsteem, sealhulgas kaks digikaamerat ja kaks pooljuhtlaserit osakeste pilve valgustamiseks, on paigaldatud liikuvale plaadile, mida saab plasmatolmu struktuuri skaneerimise ajal liigutada.

Töötati välja ja toodeti kaks komplekti seadmeid: tehnoloogiline (tuntud ka kui koolitus) ja lennuvarustus. 2001. aasta veebruaris, pärast testimist ja lennueelset ettevalmistust Baikonuris, tarniti lennukomplekt ISS-i Venemaa segmendi teenindusmoodulisse.

Esimene katse melamiinformaldehüüdi osakestega viidi läbi 2001. aastal. Teadlaste ootused olid õigustatud: esimest korda avastati kolmemõõtmeliste järjestatud kõrgelt laetud mikronisuuruste osakeste moodustumine suure mitteideaalsuse parameetriga - kolmemõõtmelised plasmakristallid näo- ja kehakesksete võretega ( joonis 7).

Võimalus saada ja uurida erineva konfiguratsiooni ja pikkusega plasmamoodustisi suureneb, kui kasutatakse kõrgsageduslikku induktsioonlahendust. Homogeense plasma ja seda piirava seina või ümbritseva neutraalgaasi vahelises piirkonnas võib eeldada nii üksikute laetud makroosakeste kui ka nende ansamblite levitatsiooni (hõljumist). Silindrilistes klaastorudes, kus tühjenemist ergastatakse ringelektroodiga, ripub plasmamoodustise kohal suur hulk osakesi. Olenevalt rõhust ja võimsusest tekivad kas stabiilsed kristalsed struktuurid või võnkuvate osakestega struktuurid või konvektiivsed osakeste voolud. Lameda elektroodi kasutamisel hõljuvad osakesed neoontäidisega pirni põhja kohal ja moodustavad korrastatud struktuuri – plasmakristalli. Seni tehakse selliseid katseid Maal asuvates laborites ja paraboolsetes lennutingimustes, kuid tulevikus on kavas need seadmed ISS-ile paigaldada.

Plasmakristallide ainulaadsed omadused (tootmise lihtsus, parameetrite jälgimine ja juhtimine, samuti lühikesed lõõgastumisajad tasakaalu saavutamiseks ja reageerimine välistele häiretele) muudavad need suurepäraseks objektiks nii väga mitteideaalse plasma omaduste kui ka plasma põhiomaduste uurimiseks. kristallid. Tulemusi saab kasutada reaalsete aatomi- või molekulaarkristallide simuleerimiseks ja nendega seotud füüsikaliste protsesside uurimiseks.

Makroosakeste struktuurid plasmas - hea tööriist ja mikroelektroonikaga seotud rakendusülesannete jaoks, eelkõige soovimatute tolmuosakeste eemaldamisega mikroskeemide tootmisel, väikese kristalli - nanokristalli, nanoklastri projekteerimise ja sünteesiga, plasmapihustusega, osakeste eraldamisega suuruse järgi , uute ülitõhusate valgusallikate väljatöötamine, elektriliste tuumapatareide ja laserite loomine, mille töövedelikuks on radioaktiivse aine osakesed.

Lõpuks on täiesti võimalik luua tehnoloogiaid, mis võimaldavad plasmas hõljuvate osakeste kontrollitud sadestamist substraadile ja seeläbi luua eriomadustega katteid, sealhulgas poorseid ja komposiitkatteid, samuti moodustada erinevate omadustega materjalidest mitmekihiliste katetega osakesi.

Huvitavad probleemid kerkivad esile mikrobioloogias, meditsiinis ja ökoloogias. Tolmulise plasma võimalike rakenduste loetelu täieneb pidevalt.

Illustratsioonide pealdised

Ill. 1. Korrelatsioonifunktsioon g(r) näitab, kui suure tõenäosusega on võimalik leida teine ​​osake sellest kaugusel r. CeO 2 osakeste puhul õhuvoolus toatemperatuuril 300 K (a) ja plasmas temperatuuril 2170 K (b) näitab funktsioon osakeste kaootilist jaotust. Plasmas temperatuuril 1700 K (c) on funktsioonil maksimum, see tähendab, et ilmneb vedelikuga sarnane struktuur.

Ill. 2. Installatsioon tolmuse plasma uurimiseks alalisvoolu hõõglahenduses on vertikaalselt orienteeritud madalal rõhul neooniga täidetud toru, milles tekitatakse hõõglahendus. Teatud tingimustel täheldatakse väljavooludes seisvaid kihte - ebaühtlase heledusega statsionaarseid tsoone. Tolmuosakesed on mahutis, mille põhi on väljalaskeala kohal. Mahuti raputamisel kukuvad osakesed alla ja rippuvad kihtides, moodustades korrastatud struktuure. Tolmu nähtavaks tegemiseks valgustatakse seda lameda laserkiirega. Hajuvalgust salvestab videokaamera. Monitori ekraanil on videopilt plasma-tolmu struktuuridest, mis on saadud tolmuosakeste valgustamisel laserkiirega spektri rohelises piirkonnas.

Ill. 3. Hõõglahenduses ilmneb korrapärane tolmustruktuur (a), mis vastab korrelatsioonifunktsioonile g(r), millel on mitu kristallile (b) iseloomulikku väljendunud maksimumi.

Ill. 4. Piklikud tolmuosakesed (silindrilise kujuga) reastuvad paralleelselt teatud ühise teljega. Seda olekut nimetatakse plasma vedelkristalliks analoogselt molekulaarsete vedelkristallidega, kus pikkade molekulide orientatsioonis on eelistatud suund.

Ill. 5. Vaakumplasmakamber rahvusvahelises kosmosejaamas (ISS) tolmuplasma uurimiseks.

Ill. 6. Venemaa Teaduste Akadeemia Äärmusriikide Termofüüsika Instituut on konstrueerinud spetsiaalse installatsiooni plasmakristallide uurimiseks kõrgsageduslikus madalrõhulahenduses. Kristallstruktuur on selgelt nähtav, kui tolmuosakesi valgustatakse laserkiirtega spektri rohelises ja punases piirkonnas.

Ill. 7. Tolmuosakeste struktuurid plasma-tolmu moodustumise kolmes horisontaalses kihis: kehakeskse võrega (ülal), näokeskse võrega (keskel) ja kuusnurkse tihendiga (all).

Teadlased valmistuvad kohtuma eluga Päikese sügavustes. Teadlased leiavad auroratest geneetilise koodi. Teadlased otsivad luureandmeid gaasi- ja tolmuketastelt. Teadlased leiavad fluorestsentslambist geene. Mis see on? Ütlete, "kollaste" ajalehtede pealkirjad? Ei midagi sellist! Tõepoolest, need ebatavalised avaldused võivad peagi olla täis teadusajakirjad. Muidugi juhul, kui üks hiljutine avastus kinnitust leiab.

Tavaline plasma on ioniseeritud gaas, mis on peaaegu neutraalne. Teisisõnu, plasma on ioonide ja elektronide "komplekt". Nende elektrilaeng on kokku neutraalne, seega plasma ei laeta. Sellel on ebatavalised omadused, see suhtleb välistega magnetväljad ja on juhtiv meedium.

Plasmat nimetatakse aine neljandaks olekuks – lisaks tahkele, vedelale ja gaasilisele. Esmapilgul on plasma midagi haruldast ja eksootilist, kuid see on eksiarvamus. Mõnede hinnangute kohaselt koosneb see kuni 99% universumist, kuna see moodustab suurema osa galaktikatest, tähtedest ja tähtedevahelisest gaasist.

Kuid mõnda füüsikut ei huvita niivõrd tavaline plasma, kuivõrd keerulisem juhtum - nn tolmune plasma.

Tolmune plasma erineb “lihtsalt plasmast” tolmuterade – 10–100 nanomeetrise läbimõõduga pisikeste osakeste – olemasolu poolest. Tolmuplasma vaatles esimest korda laboritingimustes 1920. aastatel Irving Langmuir. Nobeli preemia laureaat keemias, kes tegi tegelikult ettepaneku võtta sõna "plasma" teaduslikku kasutusse.

Kuid sellest ajast peale pole praktiliselt kedagi huvitanud plasma, mille sees on tolm. Astronoomid köitis vaid vähimatki, sest kosmiline plasma on ummistunud mitmesuguste osakestega: tähetolmust kuni Saturni rõngaste osadeni.

Pilt tõelise tolmuplasma kristalliseerumisest. Kuvatakse umbes 4 sentimeetri laiune ala (foto saidilt mpe.mpg.de).

Tolmune plasma tõmbas teadlasi taas 1980. aastate keskel seoses mikrolülituste loomise tehnoloogiate arendamisega. Üks neist olulised tingimused mitmetes arengutes tootmisprotsessid tekkis tihedus - täpsemalt tolmule toorikule juurdepääsu täielik piiramine. See oli tingitud asjaolust, et teatud juhtudel põhjustas mikroosakeste sissepääs kiibi kahjustamise.

Selgub aga, et kiipide loomisel plasmasöövitusega – meetodiga, mis kasutab substraadi pihustamiseks plasmajoa – on tolmust väga raske vabaneda. Eksperimentaatorid süüdistasid selles tolmu, mis langeb väljastpoolt kambrisse, kus toimub söövitamine. Millal nad kandideerima hakkasid rohkem vaeva välispinna puhastamiseks ei aidanud see palju.

Pikka aega ei saanud keegi aru, mis toimub, kuni kambrisse saadeti laserkiir ja nad nägid, et tolm tekib söövitusprotsessi enda tulemusena ja satub plasmasse. Sel juhul kleepuvad osakesed aja jooksul kokku ja nanomeetri suuruse asemel omandavad nad mikromeetriskaalad. Ja see on juba mikroseadmete jaoks hävitav.

Sellest ajast peale on teadlased pööranud suuremat tähelepanu tolmusele plasmale ja tolmuterade kondenseerumisele selles. Seda protsessi nimetatakse plasma kristalliseerumiseks ja selliseid osakesi nimetatakse plasmakristallideks.

Tavaliselt on laboris plasmakristallid osakeste rühm, mis on ruumis ühtlaselt jaotunud. Kuid seekord otsustas Morfill nende osakeste käitumist arvuti abil simuleerida. Sellise eksperimendi tulemusena olid tingimused loomulikult ideaalsed - ilma väliste mõjudeta, sealhulgas ilma gravitatsioonita.

Morfilli rühma teadlased ehitasid mudeli tolmupilve evolutsiooni kohta plasmas. (a), (b) ja (c) on järjestikused etapid. Mida “punasem” on tolmuosake, seda väiksem on selle kiirus, mida “sinine”, seda kiiremini. Kui uskuda seda ideaalseid tingimusi reprodutseerivat mudelit, siis etapis (c) käituvad tolmuterad nagu midagi vedeliku ja kuusnurkse tihedalt pakitud kristallvõre vahepealset. Muide, töös osalejad viitavad sellele, et sellised polükristallilise järjestusega struktuurid võivad tekkida tolmuses plasmas (illustratsioon Tsytovich V. N. et al.).

Kujutage ette Morfilli ja tema kolleegide üllatust, kui nad nägid, et arvutimodelleerimise tulemusena ei juhtunud see, mis juhtus tegelikud tingimused! Nende katse tulemuste põhjal selgus, et plasma kristalliseerumine ei toonud kaasa korrapäraselt ruumis jaotunud graanulite ilmumist, vaid nende moodustumist. pikad ketid tolmuosakestest.

Huvitaval kombel keerduvad need ketid end spiraalideks. Lisaks on nad stabiilsed ja võimelised üksteisega suhtlema. See on üsna kummaline ja võib öelda, et kahtlane, sest nagu teadlased ajakirjas New Journal of Physics avaldatud artiklis märkisid, on sellised tunnused tavaliselt elusaine korraldusele iseloomulikud. Eelkõige DNA puhul...

Selgub, et need arvutistruktuurid võivad aja jooksul areneda, muutudes stabiilsemaks. Lisaks võivad spiraalid teatud plasma parameetrite juures üksteise külge tõmmata – hoolimata sellest, et nende laeng on sama. Samuti on nad võimelised looma endast koopiaid.

Spiraali koopia loomise protsess eeldab osakeste vahepealse keerise olemasolu, mis tekib ühes spiraalis oleva süvendi kõrval ja tekitab teises uue süvendi (illustratsioon Tsytovich V. N. jt).

Veelgi huvitavam on see, et spiraalide osad võivad olla kahe erineva läbimõõduga stabiilses olekus. Ja kuna ühele spiraalile mahub palju erinevate lõikudega segmente, siis ilmselgelt suudavad nad infot sel viisil edastada.

Muidugi ei tohi unustada, et sellised "DNA-d" (neid ei saa nimetada molekulideks, kuna need ei sisalda aatomeid, vaid suuremaid tolmuosakesi) ei saa ilma plasmata iseseisvalt eksisteerida. Siiski on võimalik, et edasiste arvutikatsete käigus võivad need areneda keerukamateks struktuurideks.

On, mille üle mõelda. Tolmuvat plasmat esineb ju looduses üsna sageli ja oleks üsna ootamatu avastada DNA-ga võrreldavaid molekule näiteks mõnes ekstravagantses tähesabas. On selge, et arvuti tingimused erinevad loomulikest. Aga siiski…

Kahe spiraalse plasmakristalli interaktsiooni mudel. Sellises paigutuses sarnanevad nad tõesti väga DNA kaksikheeliksiga (illustratsioon Tsytovich V. N. et al.).

Kuid siiani on ebaselge, kas seda saab – vähemalt formaalselt – eluks nimetada? Mida arvavad sellest teadlased, kes ei osalenud Morfilli töös?

NASA astrobioloog Christopher McKay kahtleb selles. "Mõned inimesed usuvad, et elu on iseorganiseeruv süsteem, kuid sama võib öelda ka orkaani kohta," ütles ta. - Need tüübid on teinud midagi keerulisemat kui orkaan ja nad ütlevad, et see on elusorganism. Jah, nad ütlevad, et need spiraalid võivad salvestada teavet, mis on oluline omadus elu. Kuid nende töö valmistab pettumuse, sest see on puhtalt teoreetiline.

New Yorgi ülikooli füüsik David Grier sõnastas selle ettevaatlikumalt ja teaduslikumalt: "Millegi elavaks või elutuks nimetamine on peaaegu mõttetu, kuna elul pole ranget matemaatilist määratlust."

Nende piltide põhjal saab otsustada, mil määral võivad arvutimudeli andmed tegelikest andmetest erineda. (a) - pilt, mis on saadud osakeste asukoha reprodutseerimisel ruumis, (b) - pilt, mis on saadud käesolevas uuringus modelleerimisel. Muide, üks loomulik takistus õigete struktuuride moodustumisel looduslikus tolmuplasmas on tolmuosakeste ebatasasused, erinevalt arvutiga simuleeritud ideaalsetest tolmuteradest (illustratsioon Tsytovich V. N. jt).

Seth Shostak jagab sarnast arvamust (

Novembris teatati, et Plasma Crystal eksperiment ISS-il lõpetatakse. Eksperimendi erivarustus paigutati kaubalaevale Albert Einstein ja põletati koos sellega Vaikse ookeani kohal. Sellega lõppes ilmselt kõige kuulsama kosmoseeksperimendi pikk lugu. Ma tahan sellest rääkida ja ISS-i teadusest üldiselt rääkida.

Kus on avastused?

Kõigepealt peate tegema mõnevõrra demotiveeriva sissejuhatuse. Kaasaegne teadus ei ole arvutimäng, kus põhimõtteliselt pole asjatut uurimistööd ja iga avastus annab märgatava boonuse. Ja paraku on möödas ajad, mil üksildane geenius nagu Edison suutis üksi leiutada palju elu muutvaid seadmeid. Nüüd on teadus metoodiline liikumine pimesi mööda kõiki olemasolevaid radu, mida teevad suured organisatsioonid, kestab aastaid ja võib viia nulltulemusteni. Seetõttu näib regulaarselt, populaarteaduslikuks kohandamata avaldatav teave ISS-i uuringute kohta ausalt öeldes väga igav. Samal ajal on mõned neist katsetest tõeliselt huvitavad ja kui need ei tõota meile kohe vapustavaid tulemusi, annavad nad lootust paremini mõista, kuidas maailm toimib ja kuhu peaksime jõudma uute fundamentaalsete ja rakenduslike avastusteni. .

Katse idee

On teada, et aine võib eksisteerida neljas faasis – tahkes, vedelas, gaasilises ja plasmas. Plasma moodustab 99,9% Universumi massist, alates tähtedest kuni tähtedevahelise gaasini. Maal on plasma välk, virmalised ja näiteks gaaslahenduslambid. Väga levinud on ka tolmuosakesi sisaldav plasma – need on planeedirõngad, komeedi sabad, tähtedevahelised pilved. Ja eksperimendi idee oli luua kunstlikult tolmu mikroosakestega plasma ja jälgida selle käitumist maa gravitatsiooni ja mikrogravitatsiooni tingimustes.

Katse esimeses versioonis (pildil) valgustati tolmuse plasmaga ampulli Päikese kiirtega, plasmas leiduvat tolmu valgustati laseriga ning valgustatud ala filmiti kaameraga. Seejärel kasutati keerukamaid eksperimentaalseid seadistusi. “Must tünn”, mis põles koos “Albert Einsteiniga”, oli juba kolmanda põlvkonna installatsioon.

tulemused

Mikrogravitatsioonitingimustes tehtud katsed täitsid teadlaste lootused – tolmune plasma muutus struktuurilt kristalseks või ilmutas vedelike omadusi. Erinevalt ideaalsest gaasist, milles molekulid liiguvad kaootiliselt (vt soojusliikumine), avaldab tolmune plasma gaasina tahkete ja vedelate kehade omadusi - sulamis- ja aurustumisprotsessid on võimalikud.
Samas tuli ette ka ootamatuid avastusi. Näiteks võib kristallisse tekkida õõnsus. Miks on siiani teadmata.


Kuid kõige ootamatum avastus oli see, et tolmune plasma moodustas teatud tingimustel DNA-ga sarnaseid spiraalseid struktuure! Võib-olla on isegi elu tekkimine Maal kuidagi seotud tolmuplasmaga.

Väljavaated

Plasmakristalli katse paljude aastate uuringute tulemused näitavad põhilist võimalust:

• Unikaalsete omadustega nanomaterjalide moodustumine tolmuses plasmas.
• Materjalide ladestamine tolmusest plasmast aluspinnale ja uut tüüpi katete saamine - mitmekihiline, poorne, komposiit.
• Õhu puhastamine tööstus- ja kiirgusemissioonidest ning mikroskeemide plasmasöövitamise ajal.
• Elusolendite elutute esemete ja lahtiste haavade steriliseerimine plasmas.

Kahjuks saab kogu see ilu kättesaadavaks mitte varem kui kümne aasta pärast. Sest töö tulemuste põhjal on vaja ehitada eksperimentaalseid rakendusinstallatsioone, prototüüpe, teha teste või kliinilisi uuringuid ning korraldada masstootmist.