Плазменный кристалл. Плазменные кристаллы: от космических исследований до медицинских применений на Земле и вновь обратно в космос

Дело о т.н. «плазменном кристалле» академика Владимира Фортова

Предмет обсуждения:
Проект «Плазменный кристалл» (плазменно-пылевые кристаллы в условиях микрогравитации), действительные и мнимые перспективы его применения, обстоятельства, связанные с «плазменным кристаллом».

Материалы можно найти в темах:
«Афера: вакуумный Клондайк академии наук»,
«Вниманию комитета МЕГАБРИТВА. Обсуждаем поля кручения, наномиры, плазменные кристаллы, суперструны»,
«Цитатник по плазменному кристаллу академика Фортова»).

Краткое популярное описание проекта «плазменный кристалл»:
«Если у меня есть плазма, стандартная, кондовая, обыкновенная, к примеру, как в той же лампе дневного света, и в нее насыплю пыли, то каждая пылинка зарядится до потенциала один-два электрон-вольта. Пылинки начнут взаимодействовать... и я получаю в лабораторных условиях те самые процессы, что идут в звездах» (академик Владимир Фортов. Интервью «парламентской газете», № 790 за 8/23/01 Рубрика: сенсации XXI века Кристаллы из космоса)

Краткий перечень обещаний, по проекту «плазменный кристалл»
А) Создание ядерной батареи нового поколения
Б) Изготовление алмазов чистой воды размером несколько сантиметров
В) Производство лекарственных препаратов высокой степени очистки
Г) Проведение высокоэффективного химического катализа
Д) Ликвидация радиоактивных выбросов при ядерных катастрофах
Е) Создание двигателя нового типа для межзвездных полетов

Описание экспериментов:
«НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА РОССИЙСКОМ СЕГМЕНТЕ
ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТ "ПЛАЗМЕННЫЙ КРИСТАЛЛ"
Научный руководитель: академик РАН В.Е. Фортов

Используемая научная аппаратура:
Аппаратура "Плазменный кристалл-3":
Экспериментальный блок.
- Частота разряда формируемой плазмы - 13,56 МГц
- Давление газа в рабочей камере - 0,03 - 0,1 мм рт. ст.
- Плотность монодисперсных частиц - 1,5 г/куб.см
- Размеры пылевых частиц - 3,4 и 6,9 мкм
Турбонасос;
Аппаратура "Телесайенс" для управления процессом и регистрации результатов эксперимента.

Расходуемые материалы:
Видеокассеты Hi-8 для записи процесса формирования плазменно-пылевых структур;
Карта PCMCIA для записи параметров проведения эксперимента (давления газа, мощности ВЧ-излучения, размеров пылевых частиц и др.).

Цель:
Этап 1а. Исследование плазменно-пылевых структур в газоразрядной плазме высокочастотного емкостного разряда.
Этап 1б. Исследование плазменно-пылевых структур в плазме тлеющего разряда постоянного тока.
Этап 2. Исследование воздействия УФ-спектра космического излучения на поведение ансамбля макрочастиц, заряжающихся путем фотоэмиссии.
Этап 3. Исследование плазменно-пылевых структур в условиях открытого космоса при воздействии УФ-излучения Солнца, плазменных потоков и ионизирующих излучений.

Задачи:
Изучение физических явлений в плазменно-пылевых кристаллах при различных уровнях давления инертного газа и мощности ВЧ - генератора в условиях микрогравитации
Ожидаемые результаты:
Разработка технологии формирования и контроля упорядоченных структур заряженных твердых пылевых микрочастиц в плазме»
(по официальному сообщению РКК «Энергия»)

ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ УЧАСТНИКОВ ОБСУЖДЕНИЯ

Правила обсуждения
1. Сообщения размещаются исключительно по обсуждаемой теме и с приведением содержательных аргументов.
2. В случае, если аргументы находятся в материале по ссылке - приводится часть текста, находящегося по ссылке, либо аннотация, с четким объяснением того, какое отношение данный текст имеет к обсуждаемой теме.
3. Вопросы задаваются только по существу представленных аргументов.
4. Модераторы не будут допускать никаких отклонений от правил. Все сообщения, не соответствующие правилам, будут удаляться из темы и перемещаться в отдельную папку.

Секретариат комитета Мегабритва

В ноябре было объявлено о прекращении на МКС эксперимента "Плазменный кристалл". Специальное оборудование для эксперимента было помещено в грузовой корабль "Альберт Эйнштейн" и сгорело вместе с ним над Тихим океаном. Так закончилась длинная история, наверное, самого известного космического эксперимента. Я хочу рассказать о нём и чуть-чуть рассказать о науке на МКС в целом.

А где открытия?

Прежде всего, необходимо сделать несколько демотивирующее вступление. Современная наука - это не компьютерная игра, где, в принципе, нет бесполезных исследований, и каждое открытие дает заметный бонус. И, увы, прошли времена, когда гений-одиночка типа Эдисона мог один наизобретать много кардинально меняющих жизнь устройств. Сейчас наука - это методичное движение вслепую по всем доступным путям, которое осуществляется большими организациями, длится годами и может привести к нулевым результатам. Поэтому информация об исследованиях на МКС, которая публикуется регулярно , без адаптации в научно-популярный вид выглядит, если честно, весьма скучно. В то же время, некоторые из этих экспериментов являются действительно интересными, и, если и не обещают нам мгновенных сказочных результатов, то дают надежду на улучшение понимания того, как устроен мир, и куда нам двигаться за новыми фундаментальными и прикладными открытиями.

Идея эксперимента

Известно, что вещество может пребывать в четырёх фазовых состояниях - твердом, жидком, газообразном и плазменном. Плазма - это 99,9% массы Вселенной, начиная от звезд и заканчивая межзвездным газом. На Земле плазма - это молнии, северное сияние и, например, газоразрядные лампы. Плазма, содержащая частицы пыли также весьма распространена - это планетарные кольца, кометные хвосты, межзвездные облака. И идея эксперимента состояла в искусственном создании плазмы с микрочастицами пыли и наблюдением за её поведением в условиях земной тяжести и микрогравитации.

В первом варианте эксперимента (на картинке) ампула с пылевой плазмой подсвечивалась лучами Солнца, пыль в плазме подсвечивал лазер, и подсвеченный участок снимался на камеру. В дальнейшем применялись более сложные экспериментальные установки. "Черная бочка", сгоревшая вместе с "Альбертом Эйнштейном" была установкой уже третьего поколения.

Результаты

Эксперименты в условиях микрогравитации оправдали надежды ученых - пылевая плазма по своей структуре становилась кристаллической или проявляла свойства жидкостей. В отличие от идеального газа, в котором молекулы движутся хаотично (см. тепловое движение), пылевая плазма, будучи газом, проявляет свойства твердых и жидких тел - возможны процессы плавления и испарения.
В то же время, были и неожиданные открытия. Например, в кристалле могла возникнуть полость. Почему - пока неизвестно.

Но самым неожиданным открытием явилось то, что пылевая плазма при некоторых условиях формировала спиральные структуры, похожие на ДНК! Возможно, даже происхождение жизни на Земле каким-то образом связано с пылевой плазмой.

Перспективы

Результаты многолетних исследований по эксперименту "Плазменный кристалл" показывают принципиальную возможность:

Формирования в пылевой плазме наноматериалов с уникальными свойствами.

Осаждения материалов из пылевой плазмы на подложку и получения новых типов покрытий - многослойных, пористых, композитных.

Очистки воздуха от промышленных и радиационных выбросов и при плазменном травлении микросхем.

Плазменной стерилизация неживых предметов и открытых ран на живых существах.

Введение

Пылевая плазма представляет собой ионизированный газ, содержащий частицы конденсированного вещества. Другими терминами, употребляемыми для обозначения таких систем являются «комплексная плазма», «коллоидальная плазма», а также «плазма с конденсированной дисперсной фазой». Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе. Они присутствуют в планетных кольцах, хвостах комет, в межпланетных и межзвездных облаках. Пылевая плазма обнаружена вблизи искусственных спутниках земли и космических аппаратов, в термоядерных установках с магнитным удержанием. Наконец очень активно исследуется пылевая плазма в лабораторных условиях. Пылевые частицы могут не только преднамеренно вводиться в плазму, но и образовываться самопроизвольно в результате различных процессов. Широкая распространенность плазменно-пылевых систем, а также целый ряд уникальных свойств, делают пылевую плазму чрезвычайно привлекательным и интересным объектом исследования.

Пылевые частицы, находящиеся в плазме, приобретают электрический заряд и представляют собой дополнительный заряженный компонент плазмы. Однако свойства пылевой плазмы значительно богаче свойств многокомпонентной плазмы электронов и ионов различного сорта. Пылевые частицы являются центрами рекомбинации плазменных электронов и ионов и, иногда, источником электронов. Тем самым пылевой компонент может существенно влиять на ионизационное равновесие. Заряд пылевых частиц не является фиксированной величиной, а определяется параметрами окружающей плазмы и может изменяться как во времени, так и в пространстве. Кроме того, заряд флуктуирует даже при постоянных параметрах окружающей плазмы, поскольку зарядка является стохастическим процессом.

Плазменный кристалл

Частицы пылевой плазмы могут выстраиваться в пространстве определённым образом и образовывать так называемый плазменный кристалл. Плазменный кристалл может плавиться и испаряться. Если частицы пылевой плазмы достаточно велики то кристалл можно будет увидеть невооружённым глазом.

Строительным материалом для пылевых кристаллов служат макрочастицы, размер которых может варьироваться вплоть до десятков микрон в зависимости от условий конкретного эксперимента. Величина постоянной решетки в таких кристаллах обычно значительно превосходит дебаевский радиус экранирования и может достигать сотен микрон. Помимо образования в плазме кристаллических пылевых структур во многих случаях, были обнаружены плазменно-пылевые капли, и наблюдались фазовые переходы газ-жидкость в таких системах .

Заряд пылевых частиц может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Получается плазма, которую называют сильно неидеальной, поскольку её поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).

Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твёрдом теле. Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.

Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооружённым глазом. Образование кристаллических структур регистрировали в системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых переменным и статическим электрическими полями. Кулоновской кристаллизации макрочастиц в слабоионизованной плазме высокочастотного разряда при низком давлении. Энергия электронов в такой плазме составляет несколько электронвольт (эВ), а энергия ионов близка к тепловой энергии атомов, которые имеют комнатную температуру (~ 0,03 эВ). Это связано с тем, что электроны более подвижны и их поток, направленный на нейтральную пылевую частицу, значительно превышает поток ионов. Частица „ловит“ электроны и начинает заряжаться отрицательно. Этот накапливающийся отрицательный заряд в свою очередь вызывает отталкивание электронов и притяжение ионов. Заряд частицы меняется до тех пор, пока потоки электронов и ионов на её поверхности не сравняются. С высокочастотным разрядом заряд пылевых частиц увеличится и будет отрицательным. Облако заряженных пылевых частиц зависало вблизи поверхности нижнего электрода, поскольку там устанавливалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами. При диаметре облака в несколько сантиметров в вертикальном направлении число слоёв частиц составляло несколько десятков микрометров.

Учёные готовятся встретить жизнь в недрах Солнца. Учёные собираются найти генетический код в полярных сияниях. Учёные ищут разум в газопылевых дисках. Учёные вот-вот найдут гены у люминесцентной лампочки. Что это? Скажете, заголовки «жёлтых» газет? Ничего подобного! В самом деле, этими необычными утверждениями могут скоро запестреть научные журналы. Конечно, если подтвердится одно недавнее открытие.

Обычная плазма - это ионизированный газ, который является квазинейтральным. Иначе говоря, плазма представляет собой «набор» из ионов и электронов. Их электрический заряд в сумме нейтрален, поэтому плазма не заряжена. Она имеет необычные свойства, взаимодействует с внешними магнитными полями и является проводящей средой.

Плазму называет четвёртым состоянием вещества - помимо твёрдого, жидкого и газообразного. На первый взгляд, плазма - это что-то редкое и экзотическое, однако это неверное представление. По некоторым оценкам, из неё состоит до 99% Вселенной, так как она составляет основную часть галактик, звёзд, межзвёздного газа.

Но некоторых физиков интересует не столько обычная плазма, сколько более сложный случай - так называемая пылевая плазма.

Пылевая плазма отличается от «просто плазмы» наличием пылинок - крошечных частиц диаметром от 10 до 100 нанометров. Впервые пылевую плазму в лабораторных условиях в 1920-х годах наблюдал Ирвинг Лэнгмюр (Irving Langmuir), нобелевский лауреат по химии, который собственно и предложил ввести в научный обиход слово «плазма».

Но с тех пор плазма с пылью внутри практически никого не интересовала. Только самую малость она привлекала астрономов, ведь космическую плазму засоряют самые разные частицы: от звёздной пыли до тех, что входят в состав колец Сатурна .

Снимок кристаллизации настоящей пылевой плазмы. Показан участок шириной около 4 сантиметров (фото с сайта mpe.mpg.de).

Тяга к пылевой плазме у учёных снова возникла в середине 1980-х годов в связи с развитием технологий создания микросхем. Одним из важных условий разработки в ряде производственных процессов была герметичность - точнее, полное ограничение доступа пыли к заготовке. Это было связано с тем, что в определённых случаях попадание микрочастиц приводило к порче чипа.

Однако оказалось, что при создании микросхем посредством плазменного травления - метода, использующего поток плазмы для распыления подложки - от пыли избавиться очень трудно. Экспериментаторы винили в этом пыль, попадавшую снаружи в камеру, где происходит травление. Когда же они стали прикладывать больше усилий для очистки внешнего помещения, это не особенно помогло.

Долгое время никто не мог понять — в чём дело, пока внутрь камеры не направили луч лазера и не увидели, что пыль возникает в результате самого процесса травления и попадает в плазму. При этом частицы со временем в ней слипаются, и вместо нанометровых размеров они приобретают микрометровые масштабы. А это уже губительно для микроустройств.

С тех пор учёные уделяют более пристальное внимание пылевой плазме и сгущению пылинок в ней. Этот процесс называют плазменной кристаллизацией, а сами такие частицы - плазменными кристаллами.

Обычно в лаборатории плазменные кристаллы представляют собой группу частиц, равномерным образом распределённых в пространстве. Но на этот раз Морфилль решил смоделировать поведение этих частиц с помощью компьютера. В результате такого эксперимента условия были, естественно, идеальными - безо всяких внешних воздействий, в том числе, и без гравитации.

Исследователи группы Морфилля построили модель эволюции пылевого облака в плазме. (a), (b) и (c) - последовательно сменяющие друг друга стадии. Чем «краснее» пылинка, тем меньше её скорость, чем «синее» - тем больше. Если верить этой модели, воспроизводящей идеальные условия, то в стадии (c) пылинки ведут себя как нечто среднее между жидкостью и гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой. Кстати, участники работы предполагают, что в пылевой плазме могут формироваться такие структуры с поликристаллическим порядком (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).

Каково же было удивление Морфилля и его коллег, когда они увидели, что в результате компьютерного моделирования произошло не то, что бывает в реальных условиях! По итогам их опыта оказалось, что плазменная кристаллизация привела не к возникновению регулярно распределённых в пространстве гранул, а к формированию длинных цепочек из пылинок.

Интересно, что эти цепочки сами собой закручиваются в спирали. К тому же, они стабильны и способны к взаимодействию друг с другом. Это довольно-таки странно и, можно сказать, подозрительно, ведь, как заметили исследователи в статье , опубликованной в «Новом журнале физики» (New Journal of Physics), такие особенности обычно характерны для организации живой материи. В частности, для ДНК…

Эти компьютерные структуры, как оказалось, могут эволюционировать со временем, становясь устойчивее. Кроме того, спирали при определённых параметрах плазмы могут притягиваться друг к другу - несмотря на то, что их заряд одинаков. А ещё они способны создавать собственные копии.

Процесс создания копии спирали подразумевает существование промежуточного вихря частиц, который возникает рядом с углублением в одной спирали и создает новое углубление на другой (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).

Ещё интереснее то, что части спиралей могут пребывать в двух устойчивых состояниях с разными диаметрами. А так как на одной спирали может помещаться множество отрезков с разными сечениями, то они, очевидно, могут и передавать таким образом информацию.

Конечно, надо не забывать о том, что такие «ДНК» (их нельзя назвать молекулами, так как в их состав входят не атомы, а более крупные пылевые частички) не могут существовать сами по себе без плазмы. Тем не менее, не исключено, что в ходе дальнейших компьютерных экспериментов они могли бы эволюционировать в более сложные структуры.

Есть над чем задуматься. Ведь пылевая плазма возникает довольно часто в природе, и было бы довольно неожиданно обнаружить молекулы, сравнимые с ДНК, скажем, в каком-нибудь экстравагантном звёздном хвосте . Понятно, что компьютерные условия отличаются от естественных. Но всё же…

Модель взаимодействия двух спиральных плазменных кристаллов. В этом расположении они действительно очень напоминают двойную спираль ДНК (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).

Но всё же непонятно, можно ли это назвать - хотя бы формально - жизнью? Что думают по этому поводу учёные, не участвовашие в работе Морфилля?

Кристофер Маккей (Christopher McKay), астробиолог из NASA , в этом сомневается. «Некоторые люди уверены в том, что жизнь - это самоорганизующаяся система, но то же можно сказать и об урагане, - сказал он. - Эти ребята сделали кое-что посложнее урагана и говорят, что это живой организм. Да, они говорят, что эти спирали могут хранить информацию, что является важной характеристикой жизни. Но их работа разочаровывает тем, что она чисто теоретическая».

Дэвид Грайер (David Grier), физик из университета Нью-Йорка (New York University), высказался по этому поводу более осторожно и более научно: «Называть что-то живым или неживым практически бессмысленно, ибо не существует строгого математического определения жизни».

О том, насколько данные компьютерной модели могут расходиться с реальными, можно судить по этим изображениям. (a) - картина, полученная при воспроизведении расположения частиц в пространстве, (b) - картина, полученная при моделировании в данном исследовании. К слову, одним из естественных препятствий для формирования правильных структур в природной пылевой плазме явлется неравномерность пылевых частиц в отличие от идеальных пылинок, смоделированных компьютером (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).

Похожего мнения придерживается и Сет Шостак (

Сахарова Т.А. (р.п. Н-Кисляй, МКОУ Нижнекисляйская СОШ им. Полякова)

1. Арцимович Л.А. «Элементарная физика плазмы».

2. http://www.nkj.ru/archive/articles/1318/ (Наука и жизнь, КРИСТАЛЛЫ В ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ).

3. Robert L. Merlino. Experimental Investigations of Dusty Plasmas (англ.) (PDF). Department of Physics and Astronomy, The University of Iowa (17 June 2005). – Исторический обзор исследований пылевой плазмы. Проверено 18 июля 2009. Архивировано из первоисточника 2 апреля 2012.

4. Фортов В.Е., А.Г. Храпак, С.А. Храпак, В.И. Молотков, О.Ф. Петров. Пылевая плазма (рус.) // УФН. – 2004. – Т. 174. – С. 495–544.

5. Цытович В.Н. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака (рус.) // УФН. – 1997. – Т. 167. – С. 57–99.

6. Пылевая плазма // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. – М.: Янус-К, 2006. – Т. 1.

7. Фортов В.Е. Плазменно-пылевые кристаллы и жидкости на Земле и в Космосе (рус.) // Вестник российской академии наук. – 2005. – Т. 75, № 11. – С. 1012-1027.

8. Клумов Б.А. О критериях плавления комплексной плазмы (рус.) // УФН. – 2010. – Т. 180. – С. 1095–1108.

9. Видео с ютуба «Изучение полевых кристаллов в космосе».

Плазма - самое распространенное состояние вещества в природе: по оценкам, в этом состоянии находится примерно 95 % обычной материи во Вселенной. Звезды - это сгустки плазмы, ионизованного газа с температурой в десятки и сотни миллионов градусов. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна.

Данной исследовательской работой я занялся, потому что меня заинтересовало еще малоизученное в современном мире четвертое состояние вещества - плазма. Увлекло явление, обнаруженное недавно в низкотемпературной плазме, - образование «плазменного кристалла», то есть пространственно-упорядоченной структуры из мелкодисперсных частиц - плазменной пыли.

Цель моего исследования: получение низкотемпературной плазмы путем эксперимента, знакомство с плазменно-полевыми кристаллами.

Задачи исследования:

1. Расширить знания о «плазме».

2. Получить низкотемпературную плазму в домашних условиях.

3. Узнать сферы применения плазмы.

4. Провести анализ, полученных сведений из различных источников и экспериментальных данных.

Актуальность данной работы в том, что в последнее время физика плазмы - активно развивающаяся область науки, в которой по сей день совершаются удивительные открытия, наблюдаются необычные явления, требующие понимания и объяснения. Открытия в этой сфере позволят улучшить качество жизни человека: организовать переработку отходов; производство альтернативной энергии; производство микросхем; увеличение прочности металлов; изобретение новых плазменных двигателей; победить вредные микробы; улучшить качество цветных изображений в плазменных панелях; объяснить эволюцию Вселенной и т.д.

Работа с источниками информации

История открытия плазмы

Четвертое состояние материи было открыто У. Круксом (рис. 1) в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром (рис. 2) в 1928 году возможно из-за ассоциаций с четвертым состоянием вещества (плазмы) с плазмой крови.

Рис. 1. У. Кругсон

Рис. 2. И. Ленгмюр

И. Ленгмюр писал: «Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит электроны и ионы практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», что бы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов». .

Понятие плазмы

Плазма - частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми.

Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы.

Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной. Плазма подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества (рис. 3).

Рис. 3. Четвёртое состояние вещества

Что такое пылевая плазма?

Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий пылинки - частицы твердого вещества. Такая плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках (рис. 4). Она обнаружена вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием, а также в плазменных реакторах, дугах, разрядах.

Рис. 4. Плазменный хвост кометы

В лабораторных условиях пылевую плазму впервые получил американец Ирвинг Лэнгмюр еще в 20-х годах прошлого века. Однако активно изучать ее начали лишь в последнее десятилетие. Повышенный интерес к свойствам пылевой плазмы возник с развитием технологий плазменного напыления (рис. 5) и травления в микроэлектронике (рис.6), а также производства тонких пленок (рис. 7) и наночастиц (рис. 8).

Рис. 5. Плазменное напыление

Рис.6. Травление платины в водороде

Рис. 7. Тонкая полупроводниковая пленка

Рис.8. Наночастицы

Плазменный кристалл

Размеры пылевых частиц относительно велики - от долей микрона до нескольких десятков, иногда сотен микрон (рис. 9). Их заряд может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию (рис. 10). Получается плазма, которую называют сильно неидеальной, поскольку ее поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).

Рис. 9. Плазменный кристалл

Рис. 10. Кулоновское взаимод

Теоретические расчеты равновесных свойств пылевой плазмы показывают, что при некоторых условиях сильное электростатическое взаимодействие «берет верх» над низкой тепловой энергией и заставляет заряженные частицы выстраиваться в пространстве определенным образом. Образуется упорядоченная структура, которая получила название кулоновского или плазменного кристалла. Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твердом теле (рис. 11). Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.

Рис. 11. Плазменный кристалл

Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооруженным глазом.

Получение низкотемпературной плазмы в домашних условиях

После некоторых исследований, свойств и характеристик плазмы, я смог провести опыт получения в домашних условиях низкотемпературной плазмы (Видео «Получение плазмы»). Для этого мне понадобилось следующее оборудование: СВЧ печь, вод ветроустойчивые спичка, стеклянная банка.

Рис. 12. Подготовительный этап

Ход проведения опыта:

1. С начала я вынул из СВЧ печи стеклянное блюдо, на котором вращаются продукты при разогреве. Подготовил спичку (рис. 12).

2. Затем на центр Микроволновой печи я вставил спичку и зажег ее.

3. После этого я накрыл спичку стеклянной банкой, потом закрыл СВЧ печь, включил ее, установив функцию нагрева продуктов (рис. 13).

4. После некоторого количества времени можно увидеть, как в стеклянной банке с зажженной спичкой образовывается плазма (рис. 14).

Рис. 13. Спичка под стеклянной банкой в СВЧ печи

Рис. 14. Низкотемпературная плазма

Благодаря этому простому опыту можно увидеть, как ионизируется газ под действием температуры и тем самым получается частично ионизированная плазма. Если мне удалось так просто получить низкотемпературную плазму, значит её можно получить на предприятиях, при этом затраты на её получение минимальны.

Заключения

Мне удалось получить низкотемпературную плазму в домашних условиях. Я расширил свои знания по данному вопросу, узнал много нового и интересного. Меня очень заинтересовала эта тема и уверен, что когда я буду выбирать профессию эта исследовательская работа оставит свой отпечаток.

«Хаотичная» плазма-это 5-е состояние вещества. Кристаллическая плазма-это состояние «организованной» плазмы, где ее не надо удерживать магнитным полем. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна.

Я считаю, что плазма - это символ будущего, важнейшая отрасль, без которой немыслимо дальнейшее развитие цивилизации. Плазма, на мой взгляд, альтернативный источник энергии и доктор экологии.

Библиографическая ссылка

Скобликов А.А. ПОЛУЧЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ, ЗНАКОМСТВО С ПЛАЗМЕННО-ПОЛЕВЫМИ КРИСТАЛЛАМИ // Старт в науке. – 2016. – № 2. – С. 133-136;
URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id=51 (дата обращения: 28.03.2019).

КАТЕГОРИИ