Fysikere opnår data om partikelselvorganisering i ultrakoldt støvet plasma

Fysikere undersøgte for nylig partiklernes opførsel i et støvet plasma ved en temperatur under 2 grader K. Forsøget viste, at ved ekstremt lave temperaturer, nanocluster kan dannes i plasmaet, og syntesen af ​​polymerfibre finder sted. Forsøgets resultater kan bruges til at skabe nye materialer med ønskede og kontrollerede egenskaber. Resultaterne af denne undersøgelse er offentliggjort i Videnskabelige rapporter .

Forskere fra Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences sammen med kolleger fra afdelingen af ​​Talrose Institute for Energy Problems of Chemical Physics, RAS og Moskva Institut for Fysik og Teknologi undersøgte et multimodalt støvet plasma dannet i en positiv søjle af jævnstrømmens glødeudladning ved ultralave temperaturer (ved superfluid heliumtemperaturer).

Ifølge Oleg Petrov, direktør for Institut for Høje Temperaturer RAS og en af ​​artiklens forfattere, det lykkedes forskerne for første gang at observere støvet plasma i en gasudledning afkølet af superfluid helium ved en temperatur på 1,6 til 2 grader K. Indtil nu, støvet plasma og endda gasudledninger er ikke blevet undersøgt ved temperaturer lavere end 4,2 grader K, som er temperaturen af ​​flydende helium.

I løbet af forsøget, ionforstøvning af polymerer fra en speciel indsats resulterede i selvorganiseringsfænomener, nemlig dannelsen af ​​nanoclusters med størrelser mindre end 100 nm og polymerfibre med en længde på op til 5 mm og en diameter på omkring 10 mikron. Opnået ved ekstreme temperaturer, fibrene falder ikke sammen, når de studeres senere under normale forhold.

"Ved ultralave temperaturer, det bliver muligt præcist at kontrollere sammensætningen af ​​det sprøjtede materiale, da eventuelle urenheder under disse forhold "fryser" og udfælder, "Oleg Petrov siger. "Som et resultat, når man sprøjter et stof i det gasformige helium, det er muligt at få superrene materialer, hvilket kan være måden at opnå fibre med nye ønskede egenskaber - f.eks. nye typer polymerer, der ikke kan opnås ved almindelig kemisk syntese. Sådanne materialer kan være radikalt forskellige fra eksisterende."

Fænomener med selvorganisering er udbredte i naturen, og observeres i forskellige systemer af kompleksitet og skala, herunder fysiske begivenheder i nanoskala, astronomi, og i biologiske, sociale og økonomiske processer. Sådanne fænomener er karakteristiske for de såkaldte åbne (ikke-ligevægts) systemer, som omfatter, blandt andre, støvet plasma dannet af ladede partikler af mikronstørrelse, tilbageholdt i plasmaet af en gaselektrisk udladning. Den intense spredning af laserstråling af partikler gør det muligt at studere de systemer, der dannes af ladede partikler, spore deres koordinater og hastigheder i realtid. Støvet plasma er et praktisk værktøj til at studere forskellige fænomener, for eksempel, tredimensionelle og todimensionelle faseovergange, samt dannelsen af ​​ikke-lineære bølger.

Sammenlignet med alternative systemer, støvet plasma giver en enestående mulighed for at variere temperaturen på den plasmadannende gas – gasformigt helium – hvilket hjælper med at studere effekten af ​​gastemperaturændringer på plasmaets egenskaber og de processer, der foregår i det. Spørgsmålet om den nedre grænse for temperaturer, ved hvilke eksperimentelle undersøgelser af støvet plasma kan udføres, forblev åbent indtil for nylig.

Årsagen til dette manglende kendskab til gasudledningsplasmaet ved temperaturer under 4,2 grader K hænger sammen med, at problemet ikke kun er at afkøle røret til temperaturer under det flydende helium, men også effektgrænsen i udledningen, som fører til opvarmning af gasformigt helium.

Eksperimentet, hvis resultater blev offentliggjort i Videnskabelige rapporter , blev udført med en optisk kryostat på en platform beregnet til at studere plasma-støvstrukturer ved heliumtemperaturer. På nuværende tidspunkt forskere fra JIHT RAS planlægger at fortsætte eksperimenterne og studere fænomenerne med selvorganisering i støvede plasmaer ved ultralave temperaturer ved hjælp af forskellige spredte materialer.