Natuurkundigen onderzochten onlangs het gedrag van deeltjes in een stoffig plasma bij een temperatuur onder de 2 graden K. Het experiment toonde aan dat bij extreem lage temperaturen, nanoclusters kunnen zich vormen in het plasma, en vindt de synthese van polymeervezels plaats. De resultaten van het experiment kunnen worden gebruikt om nieuwe materialen te creëren met gewenste en gecontroleerde eigenschappen. De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Wetenschappers van het Gezamenlijk Instituut voor Hoge Temperaturen, Russische Academie van Wetenschappen samen met collega's van de afdeling Talrose Institute for Energy Problems of Chemical Physics, RAS en het Moscow Institute of Physics and Technology bestudeerden een multimodaal stoffig plasma gevormd in een positieve kolom van de gelijkstroomglimontlading bij ultralage temperaturen (bij superfluïde heliumtemperaturen).

Volgens Oleg Petrov, directeur van het Instituut voor Hoge Temperaturen RAS en een van de auteurs van het artikel, de wetenschappers slaagden er voor het eerst in om stoffig plasma waar te nemen in een gasontlading gekoeld door supervloeibaar helium bij een temperatuur van 1,6 tot 2 graden K. Tot nu toe, stoffig plasma en zelfs gasontladingen zijn niet onderzocht bij temperaturen lager dan 4,2 graden K, dat is de temperatuur van vloeibaar helium.

In de loop van het experiment, ion sputteren van polymeren uit een speciaal inzetstuk resulteerde in zelforganisatieverschijnselen, namelijk, de vorming van nanoclusters met afmetingen kleiner dan 100 nm en polymeervezels met een lengte tot 5 mm en een diameter van ongeveer 10 micron. Verkregen bij extreme temperaturen, de vezels bezwijken niet wanneer ze later onder normale omstandigheden worden bestudeerd.

"Bij ultralage temperaturen, het mogelijk wordt om de samenstelling van het gespoten materiaal nauwkeurig te regelen, omdat onder deze omstandigheden alle onzuiverheden "bevriezen" en neerslaan, " zegt Oleg Petrov. "Als gevolg hiervan, bij het sproeien van een stof in het gasvormige helium, het is mogelijk om superzuivere materialen te verkrijgen, wat de manier zou kunnen zijn om vezels met nieuwe gewenste eigenschappen te verkrijgen, bijvoorbeeld nieuwe soorten polymeren die niet kunnen worden verkregen door gewone chemische synthese. Dergelijke materialen kunnen radicaal verschillen van de bestaande."

Verschijnselen van zelforganisatie zijn wijdverbreid van aard, en worden waargenomen in verschillende systemen van complexiteit en schaal, inclusief fysieke evenementen op nanoschaal, astronomie, en in biologische, sociale en economische processen. Dergelijke verschijnselen zijn kenmerkend voor de zogenaamde open (niet-evenwichts)systemen, waaronder, onder andere, stoffig plasma gevormd door geladen deeltjes van microngrootte, vastgehouden in het plasma van een gas-elektrische ontlading. De intense verstrooiing van laserstraling door deeltjes maakt het mogelijk om de systemen te bestuderen die worden gevormd door geladen deeltjes, hun coördinaten en snelheden in realtime volgen. Stoffig plasma is een handig hulpmiddel voor het bestuderen van verschillende verschijnselen, bijvoorbeeld, driedimensionale en tweedimensionale faseovergangen, evenals de vorming van niet-lineaire golven.

In vergelijking met alternatieve systemen, stoffig plasma biedt een unieke kans om de temperatuur van het plasmavormende gas - gasvormig helium - te variëren, wat helpt bij het bestuderen van het effect van veranderingen in de gastemperatuur op de eigenschappen van plasma en de processen die daarin plaatsvinden. De kwestie van de ondergrens van temperaturen waarbij experimentele studies van stoffig plasma kunnen worden uitgevoerd, bleef tot voor kort open.

De reden voor dit gebrek aan kennis van het gasontladingsplasma bij temperaturen onder 4,2 graden K houdt verband met het feit dat het probleem niet alleen is om de buis af te koelen tot temperaturen onder die van vloeibaar helium, maar ook de vermogenslimiet in de ontlading die leidt tot verwarming van gasvormig helium.

Het experiment, waarvan de resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , werd uitgevoerd met een optische cryostaat op een platform bedoeld om plasma-stofstructuren bij heliumtemperaturen te bestuderen. Momenteel, wetenschappers van de JIHT RAS zijn van plan om de experimenten voort te zetten en de verschijnselen van zelforganisatie in stoffige plasma's bij ultralage temperaturen te bestuderen met behulp van verschillende verspreide materialen.