• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
12 сентября
ФизТех
1
2 449

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

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
Позавчера, 10:39
Сергей Васильев

Моделирование указало, как менялся путь формирования и распада суперконтинентов на протяжении истории Земли. Это позволило ученым предсказать, как и где образуется следующий из них, снова объединив практически всю сушу планеты.

Вчера, 11:40
Редакция

Итальянский ботаник Стефано Манкузо — о преимуществах естественных отношений и о том, что бывает, когда люди нарушают хрупкое равновесие между биологическими видами. Naked Science печатает отрывок из книги Манкузо La nazione delle piante («Нация растений»).

30 сентября
Василий Парфенов

В конце сентября, по не установленным пока причинам, возникли утечки на газопроводах «Северный поток». Многие издания и пользователи интернета уже подробно проанализировали (и продолжают обсуждать), каковы политические и экономические последствия этого инцидента. В свою очередь, Naked Science постарается оценить, чем обернется происшествие с точки зрения безопасности судоходства и экологии, а также есть ли шанс на восстановление подводных трубопроводов.

Позавчера, 10:39
Сергей Васильев

Моделирование указало, как менялся путь формирования и распада суперконтинентов на протяжении истории Земли. Это позволило ученым предсказать, как и где образуется следующий из них, снова объединив практически всю сушу планеты.

30 сентября
Василий Парфенов

В конце сентября, по не установленным пока причинам, возникли утечки на газопроводах «Северный поток». Многие издания и пользователи интернета уже подробно проанализировали (и продолжают обсуждать), каковы политические и экономические последствия этого инцидента. В свою очередь, Naked Science постарается оценить, чем обернется происшествие с точки зрения безопасности судоходства и экологии, а также есть ли шанс на восстановление подводных трубопроводов.

Вчера, 11:40
Редакция

Итальянский ботаник Стефано Манкузо — о преимуществах естественных отношений и о том, что бывает, когда люди нарушают хрупкое равновесие между биологическими видами. Naked Science печатает отрывок из книги Манкузо La nazione delle piante («Нация растений»).

16 сентября
Алиса Гаджиева

Геродот в своей «Истории» утверждал, что блоки для пирамиды Хеопса и соседних пирамид доставляли по воде. Но сегодня от Нила до пирамид слишком далеко. Исследование кернов, взятых в пойме реки, позволило понять, как именно решался сложнейший вопрос транспортировки такого строительного материала.

15 сентября
Никита Логинов

Светодиоды потребляют намного меньше энергии, чем традиционные газоразрядные лампы, что должно сократить парниковые выбросы. Но при этом светодиодное освещение угрожает здоровью жителей и разрушает местные экосистемы в городах и селах.

6 сентября
Александр Березин

Нашей планете 4,5 миллиарда лет, и 539 миллионов лет на ней тянется эра «явной жизни» (фанерозой) — то есть такой, когда на планете есть крупные, высокоорганизованные животные. Сам собой возникает вопрос: быть может, среди них был разум?

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

3 недели назад
-
0
+
Шаровая молония
Подтвердить?
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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: