Novembra je bilo objavljeno, da bo eksperiment Plasma Crystal na ISS prekinjen. Posebna oprema za poskus je bil postavljen v tovorna ladja"Albert Einstein" in zgorel z njim zgoraj Tihi ocean. Tako se je končala dolga zgodba verjetno najbolj znanega vesoljskega eksperimenta. Želim govoriti o tem in govoriti malo o znanosti na ISS na splošno.

Kje so odkritja?

Najprej morate narediti nekoliko demotivirajoč uvod. Sodobna znanost- to ni računalniška igra, kjer načeloma ni nekoristnega raziskovanja in vsako odkritje daje opazen bonus. In, žal, minili so časi, ko je lahko osamljeni genij, kot je Edison, sam izumil številne naprave, ki so mu spremenile življenje. Zdaj je znanost metodično gibanje na slepo po vseh razpoložljivih poteh, ki ga izvajajo velike organizacije, traja leta in lahko vodi do ničelnih rezultatov. Zato so informacije o raziskavah na ISS, ki se redno objavljajo, brez prilagajanja poljudni znanosti, videti, odkrito povedano, zelo dolgočasne. Hkrati so nekateri od teh poskusov res zanimivi in, če nam ne obljubljajo takojšnjega čudoviti rezultati, nato dajejo upanje za boljše razumevanje delovanja sveta in kam bi morali iti za nova temeljna in uporabna odkritja.

Ideja za eksperiment

Znano je, da lahko snov obstaja v štirih faznih stanjih - trdno, tekoče, plinasto in plazma. Plazma predstavlja 99,9 % mase vesolja, od zvezd do medzvezdnega plina. Na Zemlji so plazma strele, severni sij in na primer plinske sijalke. Zelo pogosta je tudi plazma, ki vsebuje prašne delce - to so planetni obroči, kometni repi, medzvezdni oblaki. In ideja eksperimenta je bila umetno ustvarjanje plazmo s prašnimi mikrodelci in opazovanje njenega obnašanja v pogojih zemeljske gravitacije in mikrogravitacije.

V prvi različici eksperimenta (na sliki) so ampulo s prašno plazmo osvetlili sončni žarki, prah v plazmi je osvetlil laser, osvetljeno območje pa posneli na kamero. Kasneje so bile uporabljene bolj zapletene eksperimentalne nastavitve. "Črni sod", ki je zgorel skupaj z "Albertom Einsteinom", je bil že naprava tretje generacije.

rezultate

Poskusi v pogojih mikrogravitacije so izpolnili upe znanstvenikov - prašna plazma je postala kristalna struktura ali pa je pokazala lastnosti tekočin. Za razliko od idealen plin, v katerem se molekule gibljejo kaotično (glej toplotno gibanje), prašna plazma, ki je plin, kaže lastnosti trdnih in tekočih teles - možni so procesi taljenja in izhlapevanja.
Hkrati je prišlo tudi do nepričakovanih odkritij. Na primer, v kristalu se lahko pojavi votlina. Zakaj, še ni znano.

Toda najbolj nepričakovano odkritje je bilo, da je prašna plazma pod določenimi pogoji oblikovala spiralne strukture, podobne DNK! Morda je celo nastanek življenja na Zemlji nekako povezan s prašno plazmo.

Obeti

Rezultati dolgoletnih raziskav eksperimenta "plazemski kristal" kažejo temeljno možnost:

Tvorba nanomaterialov z edinstvenimi lastnostmi v prašni plazmi.
Odlaganje materialov iz prašne plazme na podlago in pridobivanje novih vrst prevlek - večplastnih, poroznih, kompozitnih.
Čiščenje zraka pred industrijskimi in sevalnimi emisijami ter med plazemskim jedkanjem mikrovezij.
Plazemska sterilizacija neživih predmetov in odprtih ran na živih bitjih.

Na žalost bo vsa ta lepota na voljo šele čez deset let. Ker je na podlagi rezultatov dela treba zgraditi eksperimentalne aplikativne instalacije, prototipe, opraviti teste oz. klinične raziskave, organizira množično proizvodnjo.

Uvod

Prašna plazma je ioniziran plin, ki vsebuje delce kondenzirane snovi. Drugi izrazi, ki se uporabljajo za označevanje takih sistemov, so "kompleksna plazma", "koloidna plazma" in tudi "plazma s kondenzirano disperzno fazo". Prah in prašna plazma sta zelo razširjena v vesolju. Prisotni so v planetarnih obročih, repih kometov ter medplanetarnih in medzvezdnih oblakih. Prašna plazma, odkrita v bližini umetnih zemeljskih satelitov in vesoljsko plovilo, v termonuklearnih napravah z magnetno konfinacijo. Končno se prašna plazma zelo aktivno preučuje v laboratorijskih pogojih. Prašni delci se ne morejo samo namerno vnesti v plazmo, temveč tudi spontano nastanejo kot posledica različnih procesov. Široka razširjenost plazemsko-prašnih sistemov in številne edinstvene lastnosti naredijo prašno plazmo izjemno privlačen in zanimiv predmet preučevanja.

Prašni delci v plazmi pridobijo električni naboj in predstavljajo dodatno nabito komponento plazme. Vendar pa so lastnosti prašne plazme veliko bogatejše od lastnosti večkomponentne plazme elektronov in ionov različnih vrst. Prašni delci so središča rekombinacije plazemskih elektronov in ionov ter včasih vir elektronov. Tako lahko prašna komponenta pomembno vpliva na ionizacijsko ravnovesje. Naboj prašnih delcev ni fiksna vrednost, ampak je določen s parametri okoliške plazme in se lahko spreminja tako v času kot v prostoru. Poleg tega naboj niha tudi pri konstantnih parametrih okoliške plazme, saj je naboj stohastičen proces.

Plazemski kristal

Delci prašne plazme se lahko v prostoru na določen način poravnajo in tvorijo tako imenovani plazemski kristal. Kristal plazme se lahko stopi in izhlapi. Če so delci prašne plazme dovolj veliki, je kristal mogoče videti s prostim očesom.

Gradbeni material za prašne kristale so makrodelci, katerih velikost se lahko spreminja do več deset mikronov, odvisno od pogojev posameznega eksperimenta. Konstanta rešetke v takih kristalih običajno znatno presega polmer zaslona Debye in lahko doseže stotine mikronov. Poleg tvorbe kristalnih prašnih struktur v plazmi so v mnogih primerih zaznali kapljice plazemskega prahu in opazili fazne prehode plin-tekočina v takih sistemih.

Naboj prašnih delcev je lahko izjemno velika količina in presegajo naboj elektrona za sto in celo stotisočkrat. Posledično lahko povprečna energija Coulombove interakcije delcev, sorazmerna s kvadratom naboja, močno presega njihovo povprečje termalna energija. Rezultat je plazma, ki se imenuje zelo nepopolna, saj se njeno obnašanje ne drži zakonov idealnega plina. (Spomnimo se, da se plazma lahko šteje za idealen plin, če je energija interakcije delcev veliko manjša od njihove toplotne energije).

Plazemski kristali so podobni prostorskim strukturam v tekočini oz trdno telo. Tukaj lahko pride do faznih prehodov, kot sta taljenje in izhlapevanje.

Če so delci prašne plazme dovolj veliki, lahko kristal plazme opazimo s prostim očesom. Nastajanje kristalnih struktur je bilo zabeleženo v sistemu mikronskih nabitih delcev železa in aluminija, ki jih držijo izmenična in statična električna polja. Coulombova kristalizacija makrodelcev v šibko ionizirani plazmi visokofrekvenčne razelektritve pri nizkem tlaku. Energija elektronov v takšni plazmi je nekaj elektronvoltov (eV), energija ionov pa je blizu toplotni energiji atomov, ki so pri sobni temperaturi (~ 0,03 eV). To je posledica dejstva, da so elektroni bolj mobilni in njihov tok, usmerjen proti nevtralnemu prašnemu delcu, bistveno presega tok ionov. Delec »ujame« elektrone in se začne negativno naelektriti. To kopičenje negativni naboj posledično povzroči odboj elektronov in privlačnost ionov. Naboj delca se spreminja, dokler se tokovi elektronov in ionov na njegovi površini ne izenačijo. Pri visokofrekvenčni razelektritvi se bo naboj prašnih delcev povečal in bo negativen. Oblak nabitih prašnih delcev je lebdel blizu površine spodnje elektrode, saj se je tam vzpostavilo ravnotežje med gravitacijskimi in elektrostatičnimi silami. Pri premeru oblaka nekaj centimetrov v navpični smeri je bilo število plasti delcev več deset mikrometrov.

Akademik V. FORTOV, direktor Inštituta za termofiziko ekstremnih stanj Ruska akademija Sci.

Aprila 2005 je akademik Vladimir Evgenievič Fortov prejel prestižno mednarodno nagrado - zlata medalja poimenovali po Albertu Einsteinu, podelili mu za izjemen prispevek k razvoju fizikalna znanost in mednarodno znanstveno sodelovanje. Znanstveni interesi akademika Fortova so na področju fizike ekstremnih stanj snovi, vključno s plazmo. Razen temna snov, je plazma najpogostejše stanje snovi v naravi: ocenjuje se, da je v tem stanju približno 95 % običajne snovi v vesolju. Zvezde so kepe plazme, ioniziranega plina s temperaturami na desetine in stotine milijonov stopinj. Osnova so lastnosti plazme sodobne tehnologije, katerega obseg je obsežen. Plazma oddaja svetlobo v električnih žarnicah in ustvarja barvno sliko plazemske plošče. Plazemski reaktorji uporabljajo plazemske tokove za proizvodnjo mikročipov, utrjevanje kovin in čiščenje površin. Plazemske naprave predelujejo odpadke in proizvajajo energijo. Fizika plazme - aktivno območje v razvoju znanost, v kateri se vse do danes vrstijo neverjetna odkritja, nenavadni pojavi, ki zahteva razumevanje in razlago. Eden najzanimivejših pojavov, nedavno odkritih v nizkotemperaturni plazmi, je nastanek "plazemskega kristala", to je prostorsko urejene strukture finih delcev - plazemskega prahu.

Znanost in življenje // Ilustracije

Kozmonavta S. Krikalev in Yu Gidzenko namestita opremo Plasma Crystal na ISS (2001).

KAJ JE PRAŠNA PLAZMA?

Prašna plazma je ioniziran plin, ki vsebuje zrnca prahu – delce trdne snovi. Takšno plazmo pogosto najdemo v vesolju: v planetarnih obročih, repih kometov, medplanetarnih in medzvezdnih oblakih. Odkrili so ga v bližini umetnih zemeljskih satelitov in v obstenskem območju termonuklearne instalacije z magnetno konfinacijo, pa tudi v plazemskih reaktorjih, oblokih, razelektritvah.

Prašno plazmo je prvi v laboratorijskih pogojih pridobil Američan Irving Langmuir v dvajsetih letih prejšnjega stoletja. Vendar so ga začeli aktivno preučevati šele v zadnjem desetletju. Povečano zanimanje do lastnosti prašne plazme je nastal z razvojem tehnologij plazemskega razprševanja in jedkanja v mikroelektroniki, pa tudi pri proizvodnji tankih filmov in nanodelcev. Prisotnost trdnih delcev, ki vstopajo v plazmo zaradi uničenja elektrod in sten razelektritvene komore, ne vodi samo do kontaminacije površine polprevodniških čipov, ampak tudi moti plazmo, pogosto na nepredvidljiv način. Da bi jih zmanjšali ali preprečili negativni pojavi, je treba razumeti, kako potekajo procesi nastajanja in rasti kondenziranih delcev v plazmi praznjenja v plinu in kako prašna zrnca plazme vplivajo na lastnosti razelektritve.

PLAZMA KRISTAL

Velikosti prašnih delcev so relativno velike - od frakcij mikrona do nekaj deset, včasih sto mikronov. Njihov naboj je lahko izjemno velik in presega naboj elektrona za sto in celo stotisočkrat. Posledično lahko povprečna energija Coulombove interakcije delcev, sorazmerna s kvadratom naboja, močno presega njihovo povprečno toplotno energijo. Rezultat je plazma, ki se imenuje zelo neidealna, saj njeno obnašanje ne sledi zakonom idealnega plina. (Spomnimo se, da se plazma lahko šteje za idealen plin, če je energija interakcije delcev veliko manjša od njihove toplotne energije).

Teoretični izračuni ravnotežnih lastnosti prašne plazme kažejo, da močna elektrostatična interakcija pod določenimi pogoji »prevzame« nizko toplotno energijo in prisili nabite delce, da se na določen način poravnajo v prostoru. Nastane urejena struktura, ki jo imenujemo Coulombov ali plazemski kristal. Plazemski kristali so podobni prostorskim strukturam v tekočini ali trdni snovi. Tukaj lahko pride do faznih prehodov, kot sta taljenje in izhlapevanje.

Če so delci prašne plazme dovolj veliki, lahko kristal plazme opazimo s prostim očesom. V zgodnjih poskusih so zabeležili nastanek kristalnih struktur v sistemu mikrometrskih nabitih delcev železa in aluminija, ki jih držijo izmenična in statična električna polja. V poznejših delih so bila opazovana Coulombova kristalizacija makrodelcev v šibko ionizirani plazmi visokofrekvenčne razelektritve pri nizkem tlaku. Energija elektronov v takšni plazmi je nekaj elektronvoltov (eV), energija ionov pa je blizu toplotni energiji atomov, ki so pri sobni temperaturi (~ 0,03 eV). To je posledica dejstva, da so elektroni bolj mobilni in njihov tok, usmerjen proti nevtralnemu prašnemu delcu, bistveno presega tok ionov. Delec »ujame« elektrone in se začne negativno naelektriti. Ta nakopičeni negativni naboj povzroči odboj elektronov in privabljanje ionov. Naboj delca se spreminja, dokler se tokovi elektronov in ionov na njegovi površini ne izenačijo. V poskusih z visokofrekvenčnimi razelektritvami je bil naboj prašnih delcev negativen in precej velik (približno 10 4 - 10 5 nabojev elektronov). Oblak nabitih prašnih delcev je lebdel blizu površine spodnje elektrode, saj se je tam vzpostavilo ravnovesje med gravitacijskimi in elektrostatičnimi silami. Pri premeru oblaka nekaj centimetrov v navpični smeri je bilo število plasti delcev več deset, razdalja med delci pa več sto mikrometrov.

UREJENE STRUKTURE V TERMIČNI PLAZMI...

Od leta 1991 Inštitut za termofiziko ekstremnih stanj Ruske akademije znanosti (ITES RAS) proučuje prašno plazmo in ustvarja različne metode za njeno diagnostiko. Raziskana je bila prašna plazma različnih vrst: toplotna plazma, plazma praznjenja v plinu sijoče in visokofrekvenčne razelektritve, fotoemisija in jedrsko vzbujena plazma.

Toplotna plazma, ki nastane v plamenu plinskega gorilnika, ko zračni tlak, ima temperaturo od 1700 do 2200 K, temperature elektronov, ionov in nevtralnih delcev v njem pa so enake. Proučevali smo obnašanje delcev cerijevega dioksida (CeO 2) v toku takšne plazme. Posebnost te snovi je, da elektroni precej zlahka odletijo z njene površine - delovna funkcija elektronov je le približno 2,75 eV. Zato se prašni delci naelektrijo tako s tokovi elektronov in ionov iz plazme kot tudi zaradi termoemisije - emisije elektronov s strani segretega delca, ki ustvarja pozitivni naboj.

Prostorske strukture makrodelcev smo analizirali z uporabo lasersko sevanje, ki daje korelacijsko funkcijo g(r), katerega pomen je naslednji. Če določite lokacijo v prostoru enega od delcev, potem funkcija pokaže verjetnost, da boste našli kateri koli drug delec na daljavo r od tega. In to nam omogoča, da sklepamo o prostorski razporeditvi delcev - kaotični ali urejeni, značilni za tekoče in kristalne strukture.

Tipične korelacijske funkcije g(r) za delce CeO 2 v aerosolnem curku pri sobni temperaturi in v plazmi so prikazani na sl. 1. Pri visoki temperaturi plazme (2170 K) in nizki koncentraciji makrodelcev (b) korelacijsko funkcijo ima skoraj enak videz kot tok običajnega aerosola pri sobni temperaturi (a). To pomeni, da delci v plazmi medsebojno delujejo šibko in ne pride do tvorbe urejenih struktur. Pri nižji temperaturi plazme (1700 K) in višji koncentraciji delcev dobi korelacijska funkcija obliko, značilno za tekočino: pojavi se izrazit maksimum, ki kaže na prisotnost kratkoročnega reda v razporeditvi delcev (c) . V tem poskusu je bil pozitivni naboj delcev približno 1000-krat večji od naboja elektrona. Relativno šibko urejenost strukture je mogoče razložiti s kratko življenjsko dobo plazme (približno 20 tisočink sekunde), med katero proces nastajanja plazemskega kristala nima časa za dokončanje.

...IN ŽARJEČA RAZREZNICA

IN toplotna plazma temperatura vseh delcev je enaka, v plazmi žareče plinske razelektritve pa je situacija drugačna - temperatura elektronov je veliko višja od temperature ionov. To ustvarja predpogoje za nastanek urejenih struktur prašne plazme - plazemskih kristalov.

V tlenju izpust plina pod določenimi pogoji se pojavijo stoječi sloji - stacionarna območja neenakomerne svetilnosti, ki se redno izmenjujejo s temnimi intervali. Koncentracija elektronov in električno polje sta zelo nehomogena po dolžini stratuma. Zato se na glavi vsakega stratuma oblikuje elektrostatična past, ki je z razelektritveno cevjo v navpičnem položaju sposobna zadržati drobne delce v območju stolpca pozitivne razelektritve.

Proces nastajanja strukture je sledeč: delci mikronske velikosti, ki se iz posode vlijejo v razelektritev, se v plazmi naelektrijo in se zvrstijo v strukturo, ki pri konstantnih parametrih razelektritve zdrži neomejeno dolgo. Laserski žarek osvetljuje delce v vodoravni ali navpični ravnini (slika 2). izobraževanje prostorska struktura posneto z video kamero. Posamezne delce lahko vidimo s prostim očesom. V poskusu so uporabili več vrst delcev – votle mikrokroglice iz borosilikatnega stekla in delce melamin formaldehida s premerom od enega do sto mikrometrov.

V središču plasti nastane oblak prahu s premerom do nekaj deset milimetrov. Delci se nahajajo v vodoravnih plasteh in tvorijo heksagonalne strukture (slika 3a). Razdalje med plastmi so od 250 do 400 µm, razdalje med delci v vodoravna ravnina- od 350 do 600 mikronov. Funkcija porazdelitve delcev g(r) ima več izrazitih maksimumov, kar potrjuje obstoj daljnosežnega reda v razporeditvi delcev in pomeni nastanek kristalne strukture, čeprav plazma kristali prahu jasno viden s prostim očesom.

S spreminjanjem parametrov razelektritve lahko vplivate na obliko oblaka delcev in celo opazujete prehod iz kristalnega stanja v tekoče (»taljenje« kristala) in nato v plin. Z uporabo nesferičnih delcev - najlonskih valjev, dolgih 200-300 mikronov - je bilo mogoče dobiti tudi strukturo, podobno tekočemu kristalu (slika 4).

PRAŠNA PLAZMA V VESOLJJU

Na Zemlji nadaljnje preučevanje plazemskih kristalov ovira gravitacija. Zato je bilo odločeno začeti poskuse v vesolju, v pogojih mikrogravitacije.

Prvi poskus sta izvedla kozmonavta A. Ya Solovyov in P. V. Vinogradov na ruskem orbitalnem kompleksu "Mir" januarja 1998. Morali so proučiti nastanek urejenih plazemsko-prašnih struktur v breztežnosti pod vplivom sončna svetloba.

Steklene ampule, napolnjene z neonom, so vsebovale sferične bronaste delce, prevlečene s cezijem pri tlakih 0,01 in 40 Torr. Ampulo smo postavili blizu odprtine, jo pretresli in z video kamero posneli gibanje delcev, osvetljenih z laserjem. Opazovanja so pokazala, da se delci najprej gibljejo kaotično, nato pa se pojavi usmerjeno gibanje, ki je povezano z difuzijo plazme na stene ampule.

Še enega so odkrili zanimivo dejstvo: Nekaj sekund po stresanju ampule so se delci začeli lepiti in tvoriti aglomerate. Pod vplivom sončne svetlobe so aglomerati razpadli. Aglomeracija je lahko posledica dejstva, da v začetnih trenutkih osvetlitve delci pridobijo nasprotne naboje: pozitivne - zaradi emisije fotoelektronov, negativne - naelektreni so zaradi tokov plazemskih elektronov, ki jih oddajajo drugi delci - in se nasprotno nabiti delci zlepijo skupaj. drug z drugim.

Z analizo obnašanja makrodelcev lahko ocenimo velikost njihovega naboja (približno 1000 nabojev elektronov). V večini primerov so delci tvorili le tekočo strukturo, čeprav so se včasih pojavili kristali.

V začetku leta 1998 je bila sprejeta odločitev o izvedbi skupnega rusko-nemškega eksperimenta Plasma Crystal na krovu ruskega segmenta Mednarodne vesoljske postaje (PC MKC). Poskus je postavil in pripravil Znanstveniki inštituta Termofizika ekstremnih stanj Ruske akademije znanosti s sodelovanjem Inštituta za zunajzemeljsko fiziko Maxa Plancka (Nemčija) in raketno-vesoljske korporacije Energia.

Glavni element opreme je vakuumska plazemska komora (slika 5), sestavljena iz dveh kvadratnih jeklenih plošč in kvadratnih steklenih vložkov. Na vsaki plošči so nameščene disk elektrode, ki ustvarjajo visokofrekvenčno razelektritev. Elektrode imajo vgrajene naprave za vbrizgavanje prašnih delcev v plazmo. Celoten optični sistem, vključno z dvema digitalnima kamerama in dvema polprevodniškima laserjema za osvetlitev oblaka delcev, je nameščen na premični plošči, ki jo je mogoče premakniti za skeniranje strukture plazme in prahu.

Razvita in izdelana sta bila dva sklopa opreme: tehnološka (imenovana tudi trenažna) in letalna. Februarja 2001 je bil po testiranju in pripravi pred letom v Bajkonurju komplet za letenje dostavljen v servisni modul ruskega segmenta ISS.

Prvi poskus z delci melamin formaldehida je bil izveden leta 2001. Pričakovanja znanstvenikov so bila upravičena: prvič je bila odkrita tvorba tridimenzionalnih urejenih visoko nabitih mikronskih delcev z velikim parametrom neidealnosti - tridimenzionalnih plazemskih kristalov z rešetkami, osredotočenimi na obraz in telo ( Slika 7).

Sposobnost pridobivanja in preučevanja plazemskih tvorb različnih konfiguracij in dolžin se poveča, če se uporablja visokofrekvenčna indukcijska razelektritev. V območju med homogeno plazmo in steno, ki jo omejuje, ali okoliškim nevtralnim plinom lahko pričakujemo levitacijo (lebdenje) tako posameznih nabitih makrodelcev kot njihovih skupin. V cilindričnih steklenih ceveh, kjer razelektritev vzbuja obročna elektroda, lebdi nad tvorbo plazme. velika številka delci. Odvisno od tlaka in moči se pojavijo bodisi stabilne kristalne strukture, bodisi strukture z nihajočimi delci ali konvektivni tokovi delcev. Pri uporabi ploščate elektrode delci lebdijo nad dnom neonske žarnice in tvorijo urejeno strukturo – plazemski kristal. Zaenkrat se tovrstni poskusi izvajajo v laboratorijih na Zemlji in v paraboličnih pogojih letenja, v prihodnosti pa je predvidena namestitev te opreme na ISS.

Edinstvene lastnosti plazemskih kristalov (enostavna izdelava, opazovanje in nadzor parametrov, pa tudi kratki relaksacijski časi do ravnovesja in odziv na zunanje motnje) so odličen predmet za preučevanje tako lastnosti zelo neidealne plazme kot temeljnih lastnosti plazme. kristali. Rezultate je mogoče uporabiti za modeliranje pravih atomskih ali molekularnih kristalov in preučevanje fizikalnih procesov, ki jih vključujejo.

Strukture makrodelcev v plazmi - dobro orodje in za uporabni problemi povezanih z mikroelektroniko, zlasti z odstranjevanjem nezaželenih prašnih delcev pri izdelavi mikrovezij, z oblikovanjem in sintezo malega kristala - nanokristala, nanoklastra, s plazemskim razprševanjem, z ločevanjem delcev po velikosti, razvojem novi visoko učinkoviti viri svetlobe, ustvarjanje električnih jedrskih baterij in laserjev, katerih delovna tekočina so delci radioaktivne snovi.

Končno je povsem mogoče ustvariti tehnologije, ki bodo omogočale nadzorovano odlaganje delcev, suspendiranih v plazmi, na podlago in s tem ustvarjanje prevlek s posebnimi lastnostmi, vključno s poroznimi in kompozitnimi, ter oblikovanje delcev z večplastnimi prevlekami iz materialov z različnimi lastnostmi.

nastati zanimive naloge v mikrobiologiji, medicini, ekologiji. Seznam možnih aplikacij prašne plazme se nenehno širi.

Napisi za ilustracije

Ill. 1. Korelacijska funkcija g(r) kaže verjetnost, s katero je mogoče najti drug delec na razdalji r od tega. Za delce CeO 2 v zračnem toku pri sobni temperaturi 300 K (a) in v plazmi pri temperaturi 2170 K (b) funkcija kaže na kaotično porazdelitev delcev. V plazmi pri temperaturi 1700 K (c) ima funkcija maksimum, to pomeni, da se pojavi struktura, podobna tekočini.

Ill. 2. Naprava za preučevanje prašne plazme v žareči razelektritvi DC je navpično usmerjena cev, napolnjena z neonom pri nizkem tlaku, v kateri se ustvari žareča razelektritev. Pod določenimi pogoji opazimo stoječe plasti v razelektritvi - stacionarna območja neenakomerne svetilnosti. Prašni delci so shranjeni v posodi z mrežastim dnom nad območjem izpusta. Ko posodo stresemo, delci padejo navzdol in obvisijo v plasteh ter tvorijo urejene strukture. Da bi bil prah viden, ga osvetlimo s ploskim laserskim žarkom. Razpršeno svetlobo posname videokamera. Na zaslonu monitorja je video slika plazemsko-prašnih struktur, pridobljenih z osvetljevanjem prašnih delcev z laserskim žarkom v zelenem območju spektra.

Ill. 3. Pri žareči razelektritvi se pojavi urejena struktura prahu (a), ki ustreza korelacijski funkciji g(r) z več izrazitimi maksimumi, značilnimi za kristal (b).

Ill. 4. Podolgovati prašni delci (valjaste oblike) se vrstijo vzporedno z določeno skupno osjo. To stanje se imenuje plazemski tekoči kristal po analogiji z molekularnim tekoči kristali, kjer obstaja prednostna smer v orientaciji dolgih molekul.

Ill. 5. Vakuumska plazemska komora za preučevanje prašne plazme na Mednarodni vesoljski postaji (ISS).

Ill. 6. Inštitut za termofiziko ekstremnih stanj Ruske akademije znanosti je izdelal posebno napravo za preučevanje plazemskih kristalov v visokofrekvenčni nizkotlačni razelektritvi. Kristalna struktura jasno viden, ko so prašni delci osvetljeni z laserskimi žarki v zelenem in rdečem območju spektra.

Ill. 7. Strukture prašnih delcev v treh vodoravnih plasteh nastajanja plazemskega prahu: z rešetko s središčem telesa (zgoraj), mrežo s središčem na obrazu (v sredini) in s heksagonalno tesno embalažo (spodaj).

Novembra je bilo objavljeno, da bo eksperiment Plasma Crystal na ISS prekinjen. Posebno opremo za poskus so namestili na tovorno ladjo Albert Einstein in jo skupaj z njo zažgali nad Tihim oceanom. Tako se je končala dolga zgodba verjetno najbolj znanega vesoljskega eksperimenta. Želim govoriti o tem in govoriti malo o znanosti na ISS na splošno.

Kje so odkritja?

Najprej morate narediti nekoliko demotivirajoč uvod. Sodobna znanost ni računalniška igra, kjer načeloma ni neuporabnih raziskav, vsako odkritje pa prinaša opazen bonus. In, žal, minili so časi, ko je lahko osamljeni genij, kot je Edison, sam izumil številne naprave, ki so mu spremenile življenje. Zdaj je znanost metodično gibanje na slepo po vseh razpoložljivih poteh, ki ga izvajajo velike organizacije, traja leta in lahko vodi do ničelnih rezultatov. Zato so informacije o raziskavah na ISS, ki se redno objavljajo, brez prilagajanja poljudni znanosti, videti, odkrito povedano, zelo dolgočasne. Hkrati so nekateri od teh poskusov res zanimivi in, če nam ne obljubljajo takojšnjih čudovitih rezultatov, nam dajejo upanje za boljše razumevanje delovanja sveta in kam bi morali iti za nova temeljna in uporabna odkritja. .

Ideja za eksperiment

Znano je, da lahko snov obstaja v štirih faznih stanjih - trdno, tekoče, plinasto in plazma. Plazma predstavlja 99,9 % mase vesolja, od zvezd do medzvezdnega plina. Na Zemlji so plazma strele, severni sij in na primer plinske sijalke. Zelo pogosta je tudi plazma, ki vsebuje prašne delce - to so planetni obroči, repi kometov, medzvezdni oblaki. In ideja eksperimenta je bila umetno ustvariti plazmo s prašnimi mikrodelci in opazovati njeno obnašanje v pogojih zemeljske gravitacije in mikrogravitacije.

rezultate

Poskusi v pogojih mikrogravitacije so izpolnili upe znanstvenikov - prašna plazma je postala kristalna struktura ali pa je pokazala lastnosti tekočin. Za razliko od idealnega plina, v katerem se molekule gibljejo kaotično (glej toplotno gibanje), ima prašna plazma, ki je plin, lastnosti trdnih in tekočih teles - možni so procesi taljenja in izhlapevanja.
Hkrati je prišlo tudi do nepričakovanih odkritij. Na primer, v kristalu se lahko pojavi votlina. Zakaj, še ni znano.