Как ИИ изменит нашу жизнь — в специальном проекте Naked Science!
Перейти
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
12 сентября
ФизТех
1
2 513

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
Предстоящие мероприятия
Вчера, 13:13
Алиса Гаджиева

Палеонтологи обнаружили останки никогда ранее не встречавшегося дасплетозавра, который, возможно, был прямым предком Tyrannosaurus rex. Эта находка может разрешить серьезные споры об эволюционной родословной самого знаменитого динозавра.

Позавчера, 10:10
Сергей Васильев

Биологи внесли в ДНК червей гены, кодирующие светочувствительные белки. Это позволило управлять ими при помощи света, заставляя двигаться на зеленый сигнал и останавливаться на красный.

Вчера, 11:18
Анна Новиковская

Около пятой части атмосферы нашей планеты составляет кислород — важный газ, необходимый для существования сложных форм жизни. Ученые полагали, что основным и практически единственным его источником были живые организмы — фотосинтезирующие растения и бактерии. Но теперь, возможно, им придется пересмотреть свои взгляды.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

24 ноября
Анна Новиковская

В то время как основные мировые языки со временем упрощают письменность, существует одно яркое исключение: китайский язык. За свою историю, насчитывающую три тысячелетия, его система письма становилась только сложнее и до сих пор остается крайне сложной для изучения.

25 ноября
Александр Березин

Также это повышает шансы на вовлечение волка в другие виды рискованной деятельности. Работа может иметь прикладное значение и для человеческих обществ, поскольку сходное влияние известно и для людей.

1 ноября
Анна Новиковская

Когда мы представляем взаимодействие неандертальцев с нашими предками, первобытными людьми, то обычно думаем об агрессивных стычках и конкуренции на охоте. Однако теперь ученые выяснили, что два вида людей взаимодействовали на протяжении как минимум 200 тысяч лет — это слишком долгий срок для активных военных действий, но достаточный для постепенного «растворения» одного вида в другом.

19 ноября
Анна Новиковская

В последний раз черношейного фазанового голубя видели еще в 1882 году, и с тех пор ученые не знали, живет ли еще в лесах острова Фергуссон эта красивая птица. Теперь, наконец, им повезло: одна из камер запечатлела представителя редчайшего подвида фазановых голубей.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

14.09.2022
-
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: