• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
12.09.2022
ФизТех
1
2 662

Российские ученые выяснили, что пылевая плазма ведет себя как активная материя

4.7

Необычный эффект, полученный индийскими коллегами в плазменно-пылевой системе, объяснили ученые МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН. Эксперимент показал, что при определенных условиях макроскопические пылевые частицы самоорганизуются в уникальную структуру, в которой сосуществуют друг с другом упорядоченная и неупорядоченная фазы. Система может выступать в качестве экспериментального полигона для изучения свойств активной материи.

Визуализация результатов расчета структуры с границей раздела упорядоченной и неупорядоченной областей при помощи методов компьютерного моделирования ©Предоставлено авторами исследования / Автор: Александр Литвинов

Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports. Плазма — ионизированный газ, одно из четырех классических агрегатных состояний вещества. Этот газ содержит в себе свободные электроны и ионы — положительные и отрицательные. Плазма с так называемой конденсированной дисперсной фазой — это плазма, в которой есть еще и дополнительные частицы микронных размеров.

Эти частицы (их из-за размеров называют пылевыми) заряжаются до очень больших величин заряда и взаимодействуют друг с другом, словно атомы в классическом веществе. Встречаются такие пылевые системы в ионосфере Земли, на космических объектах, в технологических установках для травления микросхем и термоядерного синтеза и, конечно, в лабораториях.

Российско-индийский научный коллектив обнаружил, что такая сложная плазменная система при определенных условиях может проявлять уникальные свойства активной материи, в которой частицы микронного размера преобразуют энергию окружающей среды в подвижность и тем самым становятся активными.

«В эксперименте нашими индийскими коллегами было обнаружено, что при определенных условиях макроскопические пылевые частицы самоорганизовались в структуру, в которой стационарно сосуществуют друг с другом упорядоченная и неупорядоченная области, — аналог кристаллической и жидкой фазы материи. В свою очередь, нам при помощи теоретических методов удалось показать, что причиной обнаруженного эффекта является возможность пылевых частиц в плазме проявлять свойства так называемого активного вещества и превращать энергию окружающей плазмы в энергию собственного движения.

Это происходит за счет формального невыполнения третьего закона Ньютона в подсистеме пылевых частиц — при том, что в системе целиком, включающей в себя, помимо пылевых частиц и частицы окружающей плазмы, третий закон Ньютона, безусловно, выполняется», — рассказывает Владислав Николаев, соавтор исследования, аспирант МФТИ и научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.

Коллектив авторов работы из МФТИ. Слева направо: Даниил Колотинский, Алексей Тимофеев, Владислав Николаев / ©Пресс-служба МФТИ

Для моделирования экспериментальной структуры из микронных частиц в плазме сотрудники МФТИ и ОИВТ РАН использовали суперкомпьютерные методы, позволяющие описывать систему как на макроскопическом уровне пылевых частиц, так и на микроуровне ионов и электронов плазмы. В рамках реализации такого многомасштабного подхода был написан программный код для запуска расчета на высокопроизводительных вычислительных машинах с использованием современных графических ускорителей.

По словам исследователей, для решения столь, на первый взгляд, незамысловатой задачи, как описание динамики системы заряженных частиц, потребовалось несколько недель непрерывных расчетов на суперкомпьютерах МФТИ и ОИВТ РАН. В итоге суперкомпьютерное моделирование позволило объяснить эффект самоорганизации структуры из микронных частиц в плазме, при котором в системе наблюдается аналог границы раздела кристалла и жидкости в классическом веществе.

«Описанный эффект позволяет наблюдать устойчивое сосуществование фаз в неравновесной неидеальной системе пылевых частиц. Процессы в такой системе, в отличие от атомарных систем, можно исследовать на кинетическом уровне, возможно даже увидеть систему невооруженным взглядом за счет больших расстояний между пылевыми частицами. Фазовые переходы в плазме с конденсированной дисперсной фазой исследуются около 30 лет, однако в нашей работе впервые создана экспериментально и объяснена теоретически плазменно-пылевая система, в которой пылевые частицы в различных областях системы проявляют разную степень активности, что позволило наблюдать устойчивое сосуществование плотной неупорядоченной фазы и менее плотной упорядоченной фазы», — заключает Алексей Тимофеев, руководитель исследования, заместитель руководителя программы «Вычислительная физика конденсированного состояния и живых систем» МФТИ и заместитель директора  по научной работе ОИВТ РАН.

По словам исследователей, результаты работы имеют большое фундаментальное значение, так как ложатся в обоснование использования пылевой плазмы в качестве экспериментального полигона для изучения свойств активной материи. Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты могут использоваться для описания поведения заряженных частиц в плазме технологических установок для травления микросхем, а также применяться для решения задачи удержания заряженных частиц в электростатических ловушках с различной конфигурацией. Такие ловушки активно используются для удержания ионов, в том числе при создании антивещества. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
17 июля
Татьяна

В 2020 году «охотник за чужими мирами», аппарат NASA TESS, обнаружил перспективного кандидата размером с Юпитер. Его обозначили как TIC 241249530 b. В новой работе американские астрономы подтвердили планетную природу объекта и уточнили параметры орбиты. Она оказалась сильно вытянутой, словно огурец. Вероятно, гигант еще не успел мигрировать ближе к звезде и стать настоящим горячим юпитером. Для экзопланет, открытых транзитным методом, это первый случай.

Позавчера, 13:36
Полина Меньшова

Занятия, на которых люди повышают осознанность (майндфулнесс), могут стать причиной измененных состояний сознания, выяснили ученые из Великобритании и Испании. Этот эффект схож с тем, как на организм человека влияют психотропные вещества.

Вчера, 11:05
Даниил Сухинов

Новое исследование ученых из Великобритании показало, почему приматы развили ярко выраженную мимику лица. Все дело в эффективной передаче своих эмоций и намерений. Такие приматы создают более сплоченные социальные группы, занимая в них центральные позиции. Открытие подчеркивает важность мимической коммуникации как у обезьян, так и у людей.

15 июля
Александр Березин

Авторы нового исследования впервые показали, что круглые провалы в лунной поверхности не просто близки к многокилометровым пещерам на естественном спутнике Земли, но и располагают тоннелями, ведущими в глубину.

16 июля
Александр Березин

Традиционное представление о роли человека в земных экосистемах известно: он нарушает их нормальную работу и снижает биоразнообразие. Однако первая попытка изучить следы пыльцы за последние 12 тысяч лет принесла скорее противоположные данные — как минимум для континентов, полностью расположенных в Северном полушарии.

13 июля
Татьяна

Все клеточные организмы ученые ведут от гипотетического предка — LUCA. Существует масса предположений и расчетов о том, как он был устроен, где и когда возник. В новой работе исследователи из Великобритании попытались ответить на эти вопросы.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий
aRTUR Ko
14.09.2022
-
0
+
Шаровая молония
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно