Порядок в беспорядке…

23:07 22/12/2017
👁 315

Вселенная получила свою масштабную структуру

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.

ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА В КОСМОСЕ

На Земле дальнейшему изучению плазменных кристаллов мешает сила тяжести. Поэтому было решено начать эксперименты в космосе, в условиях микрогравитации.

Первый эксперимент провели космонавты А. Я. Соловьев и П. В. Виноградов на российском орбитальном комплексе “Мир” в январе 1998 года. Им предстояло изучить образование упорядоченных плазменно-пылевых структур в невесомости под действием солнечного света.

В стеклянных ампулах, заполненных неоном, находились сферические частицы бронзы с цезиевым покрытием при давлениях 0,01 и 40 Торр. Ампулу устанавливали возле иллюминатора, встряхивали и регистрировали с помощью видеокамеры движение частиц, подсвеченных лазером. Наблюдения показали, что вначале частицы движутся хаотически, а затем появляется направленное движение, которое связано с диффузией плазмы на стенки ампулы.

Обнаружился еще один интересный факт: через несколько секунд после встряхивания ампулы частицы начинали слипаться. Под действием солнечного света агломераты распадались. Агломерация может быть связана с тем, что в начальные моменты освещения частицы приобретают разноименные заряды: положительные – за счет эмиссии фотоэлектронов, отрицательные – заряжаясь потоками плазменных электронов, эмитированных с других частиц, – и разноименно заряженные частицы слипаются друг с другом.

Анализируя поведение макрочастиц, можно оценить величину их заряда (около 1000 зарядов электрона). В большинстве случаев частицы образовывали только жидкостную структуру, хотя иногда и возникали кристаллы.

В начале 1998 года было принято решение о проведении совместного российско-германского эксперимента “Плазменный кристалл” на борту российского сегмента Международной космической станции (PC MKC). Постановку и подготовку эксперимента осуществляли ученые Института теплофизики экстремальных состояний РАН с участием Института внеземной физики Макса Планка (Германия) и Ракетно-космической корпорации “Энергия”.

Основным элементом аппаратуры служит вакуумная плазменная камера , состоящая из двух стальных квадратных пластин и стеклянных вставок квадратного сечения. На каждой из пластин смонтированы дисковые электроды для создания высокочастотного разряда. В электроды встроены устройства для инжекции пылевых частиц в плазму. Вся оптическая система, включая две цифровые камеры и два полупроводниковых лазера для подсветки облака частиц, установлена на подвижной плите, которую можно перемещать, сканируя плазменно-пылевую структуру.

Были разработаны и изготовлены два комплекта аппаратуры: технологический (он же тренировочный) и полетный. В феврале 2001 года, после испытаний и предполетной подготовки на Байконуре, летный комплект доставили на служебный модуль российского сегмента МКС.

Первый эксперимент с частицами из меламинформальдегида выполнен в 2001 году. Ожидания ученых оправдались: впервые было обнаружено формирование трехмерных упорядоченных сильнозаряженных частиц микронного размера с большим параметром неидеальности – трехмерных плазменных кристаллов с гранецентрированной и объемно-центрированной решетками .

Возможность получать и исследовать плазменные образования различной конфигурации и протяженности возрастает, если использовать высокочастотный индукционный разряд. В области между однородной плазмой и ограничивающей ее стенкой или окружающим нейтральным газом можно ожидать левитации (зависания) как отдельных заряженных макрочастиц, так и их ансамблей. В цилиндрических стеклянных трубках, где разряд возбуждается кольцевым электродом, над плазменным образованием зависает большое число частиц. В зависимости от давления и мощности возникают либо устойчивые кристаллические структуры, либо структуры с колеблющимися частицами, либо конвективные потоки частиц. При использовании плоского электрода частицы зависают над дном наполненной неоном колбы и образуют упорядоченную структуру – плазменный кристалл. Пока что такие эксперименты проводятся в лабораториях на Земле и в условиях параболического полета, но в перспективе и эту аппаратуру планирует ся установить на МКС.

Уникальные свойства плазменных кристаллов (простота получения, наблюдения и контроля за параметрами, а также малые времена релаксации к равновесию и отклика на внешние возмущения) делают их прекрасным объектом при исследовании как свойств сильно неидеальной плазмы, так и фундаментальных свойств кристаллов. Результаты могут быть использованы для моделирования реальных атомарных или молекулярных кристаллов и изучения физических процессов с их участием.

В дальнейшем применялись более сложные экспериментальные установки. «Черная бочка», сгоревшая вместе с «Альбертом Эйнштейном» была установкой уже третьего поколения.

Плазменно-пылевой кристалл

«Плазменный кристалл»

Новый алгоритм распознавания сгустков частиц упростит наблюдени за фазовыми переходами

конденсированные кластеры

Российские физики создали алгоритм, позволяющий распознавать конденсированные кластеры (сгустки частиц), например, капли конденсата в газе или кристаллы в пересоленном растворе. На основе алгоритма был разработан новый метод, который значительно упростит наблюдение за процессами смены агрегатного состояния веществ. Работа ученых из МГТУ им. Н. Э. Баумана опубликована в Journal of Physical Chemistry C. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

Авторы работы предложили алгоритм, который может определять термодинамическую фазу двумерной (расположенной в плоскости) системы на основе расположения ее частиц. Это могут быть координаты молекул, рассчитанные с помощью моделирования методом молекулярной динамики, или координаты коллоидных частиц, найденные по микрофотографии.

«Для того чтобы анализировать, какие законы управляют поведением частиц в конденсате, то есть жидкостях или кристаллах, или газах, или на границе раздела между ними, нужно для начала научиться различать частицы, которые относятся к разным агрегатным состояниям», — пояснил руководитель работы, ведущий научный сотрудник МГТУ им. Н. Э. Баумана Станислав Юрченко.

Глядя на снимок системы частиц, человек четко видит их сгустки и легко различает конденсированные кластеры (группы частиц), газ и границу раздела между ними. Однако для автоматического распознавания при помощи компьютерной обработки эта задача не так проста. Известные сегодня алгоритмы достаточно сложны, требуют детальной настройки с участием человека и не универсальны. Для использования метода, разработанного российскими физиками, достаточно снимков системы, по которым можно определить, например, какие частицы относятся к конденсату, а какие — к газовой фазе.

Алгоритм начинает работу с того, что получает набор координат частиц, анализирует их расположение и чертит вокруг каждой из частиц вещества ячейки Вороного. Это области, каждая точка которых ближе к находящейся в них частице, чем к любой другой. После этого программа анализирует геометрию этих ячеек: если они имеют правильную форму и расположены упорядоченно, то, скорее всего, это частицы в конденсате (жидкость или твердое тело). Напротив, если ячейки имеют неправильную, сильно вытянутую форму, то, вероятно, это газообразное вещество или поверхностные частицы (находящиеся на границе газа и конденсата). Поверхностные частицы можно легко отфильтровать, учитывая в последующем анализе лишь газ и конденсат.

Алгоритм может применяться для фундаментальных исследований спинодального распада — явления быстрого перехода вещества в другую термодинамическую фазу по всему объему, при котором в объеме вещества одновременно находятся области в разных термодинамических фазах. Именно так, например, в газообразной среде образуются капли жидкости, в соленых растворах возникают кристаллы, а в сплавах — области с разнородным химическим составом.

Метод можно использовать и в работе на установке для наблюдения за самоорганизацией частиц, которая была создана этой же группой ученых под руководством Станислава Юрченко в рамках гранта. Прибор позволяет исследовать поведение микроскопических коллоидных частиц, которые демонстрируют самосборку и фазовые переходы аналогично тому, как это происходит в природных атомных и молекулярных системах. Предложенный метод открывает новые перспективы детального исследования спинодального распада — явления, играющего ключевую роль в динамике фазовых переходов в природе.

Источник 1 и Источник 2

Источник

Добавить комментарий