ISSでのプラズマクリスタル実験は、新しい装置を使って実施されました。 塵の多いプラズマ中の結晶
11月にはISSでの実験終了が発表された。 プラズマ結晶」 実験用の特別な装置は貨物船アルバート・アインシュタインに搭載され、太平洋上で船ごと燃やされました。 こうして、おそらく最も有名な宇宙実験の長い物語は終わった。 それについてお話したいと思います。そして、ISS の科学全般について少しお話したいと思います。
発見はどこにありますか？
まず第一に、やる気を失わせるような導入を行う必要があります。 現代科学- これはコンピュータゲームではありません。原則として無駄な研究はなく、発見するたびに顕著なボーナスが与えられます。 そして、悲しいことに、エジソンのような孤独な天才が一人で人生を変える多くの装置を発明できる時代は過ぎました。 現在、科学は利用可能なすべての道に沿って盲目的に体系化された運動であり、大規模な組織によって実行され、何年も続き、結果がゼロになる可能性があります。 したがって、一般科学に反映されずに定期的に公開される ISS の研究に関する情報は、率直に言って非常に退屈に見えます。 同時に、これらの実験のいくつかは非常に興味深いものであり、すぐに素晴らしい結果が得られるとは限らないとしても、世界がどのように機能するか、そして新しい基礎的および応用的な発見のためにどこに向かうべきかについての理解が深まるという希望を与えてくれます。 。実験アイデア
物質は固体、液体、気体、プラズマの 4 つの相状態で存在できることが知られています。 星から星間ガスに至るまで、宇宙の質量の 99.9% はプラズマです。 地球上では、プラズマは稲妻、オーロラ、そしてたとえばガス放電ランプです。 塵粒子を含むプラズマも非常に一般的です。これらは惑星の環、彗星の尾、星間雲です。 そして、実験のアイデアは、塵の微粒子でプラズマを人工的に作成し、地球重力と微小重力の条件下でのその挙動を観察することでした。
実験の最初のバージョン (写真) では、塵の多いプラズマを含むアンプルが太陽の光で照らされ、プラズマ内の塵がレーザーで照らされ、照らされた領域がカメラで撮影されました。 その後、より複雑な実験設定が使用されました。 「アルバート・アインシュタイン」とともに焼失した「黒い樽」はすでに第3世代のインスタレーションだった。
結果
微小重力条件での実験は科学者の期待に応え、粉塵の多いプラズマは結晶構造になったり、液体の性質を示したりした。 分子が無秩序に運動する理想気体 (熱運動を参照) とは異なり、ダストプラズマは気体であるため、固体および固体の特性を示します。 液体体- 溶解および蒸発のプロセスが可能です。同時に、思わぬ発見もありました。 たとえば、結晶内に空洞が現れる可能性があります。 なぜなのかはまだ不明です。
しかし、最も予想外の発見は、塵の多いプラズマが特定の条件下で DNA に似たらせん構造を形成したということでした。 おそらく、地球上の生命の起源さえも、何らかの形で塵プラズマと関係しているのかもしれません。
展望
「プラズマクリスタル」実験に関する長年の研究の結果は、次のような根本的な可能性を示しています。- 粉塵プラズマ中でのユニークな特性を持つナノマテリアルの形成。
- 粉塵プラズマからの材料を基板上に堆積させ、多層、多孔質、複合などの新しいタイプのコーティングを取得します。
- 産業放出および放射線放出からの空気浄化、および微細回路のプラズマエッチング中の空気浄化。
- 無生物および生物の開いた傷のプラズマ滅菌。
ソ連の軌道ステーションミールで始まったこの伝説的な実験は、ISSでも新しい装置を用いて継続された。 最近船上に納入されたユニークな装置 宇宙ステーション、追加のガス流量調整器用のデバイスです。 これにより、血漿を研究する実験中により正確な結果を得ることが可能になり、血漿の純度が向上します。 ダストプラズマが何であるかに関するデータは、これまで知られていなかった宇宙に関する情報を入手したり、小型のエネルギー電池やレーザーを作成したり、開発したりすることを可能にします。 新技術ダイヤモンドの栽培や血漿医学の開発の基礎としても機能します。
あらゆる物質は、固体、液体、気体、プラズマの 4 つの相状態で存在できます。 プラズマは、星から星間ガスに至るまで、宇宙の目に見える質量の 99% 以上を占めています。 塵粒子を含むプラズマは宇宙では非常に一般的であり、これらは惑星の環、彗星の尾、星間雲です。
サイズが数ミクロンの微粒子（塵粒子）を含むプラズマの研究と、微粒子の重量のほぼ完全な補償が起こる微小重力条件でのプラズマの挙動の観察は、20年以上にわたって続けられています。 1998 年 1 月に遡ると、ロシアのミール軌道複合施設で、宇宙飛行士のアナトリー・ソロヴィヨフとパーベル・ヴィノグラドフは、プラズマ結晶や液体を含むプラズマダスト構造の物理学を研究するために、プラズマクリスタル-1 (PK-1) 施設で最初の実験を実施しました。 同年8月、ミールはガス放電管と実験をビデオ録画する装置からなるPK-2装置を使った研究を開始した。 2001年3月、セルゲイ・クリカレフとユーリ・ギツェンコは、ロシアとドイツの専門家が共同で作成したPK-3設備を使用して、ISS上で実験の最初のセッションを実施した。 同じくロシア科学アカデミー高温研究所（JIHT）とドイツ宇宙庁（DLR）の科学者らが共同で作成した新しい設備「プラズマクリスタル4」の最初の実験は、2015年6月に開始された。 研究の過程で、この設備を改善する必要があることが判明しました。 今年 7 月、プラズマ クリスタル 4 実験の品質を向上させるための追加の機器が ISS に届けられました。
科学者の目標は、プラズマダスト結晶やプラズマ中のその他の秩序構造を取得して研究することです。 特に、これにより、原始星、原始惑星環、その他の天体で起こるプロセスの法則を研究することが可能になります。 実験中、特定のサイズ（直径数マイクロメートル）の微細な粒子が、ガス放電管内のネオンまたはアルゴンのプラズマに導入されます。 微粒子がプラズマに入ると、電子と正イオンを収集し、電子移動度が高くなるために負の電荷が生じます。 微粒子は互いに反発し合い、様々な三次元構造を形成します。 塵の粒子は重力の影響を受け、二次元構造または高度に変形した（圧縮された）三次元構造を形成する可能性があるため、このような研究は地球上では実行できません。
ダストプラズマ研究の 20 年以上の歴史により、多くの新しい興味深いデータが提供されてきたという事実にもかかわらず、完全なデータを作成することはまだ不可能です。 数学的モデル自己組織化粒子の挙動。 ロシア科学アカデミー高温共同研究所とDLRの科学者が開発した新しい装置は、プラズマを形成するガス流量を数十分の1に減らすことで、よりクリーンな実験を可能にする。 現在では、ガス圧力の範囲を拡大し、ダストの多いプラズマのプロセスに関する新しい知識を得ることが可能です。
微粒子がプラズマ中に存在すると、さまざまな力を受けます。 主なものの 1 つは電気的なもので、放電場の粒子に影響を与えます。 2 つ目はイオン同伴の力です。 3つ目はガスとの摩擦だ。物体が大気圏に突入すると、まさにそのために速度が失われる、とロシア科学アカデミー高温共同研究所の上級研究員アンドレイ・リパエフ氏はイズベスチヤに語った。 - したがって、流れのモードを組織すると、粒子を運び去る一種の風が発生します。 もともと流れを遮断するために使用されていたこの装置は、宇宙実験の困難な条件下での動作中に重大なガス漏れを生じ始め、粒子は流れによって単純に運び去られてしまいました。
この問題を解決するために、JIHT RAS と DLR の専門家は、外部圧力調整器と 2 つの追加バルブを使用してガスの流れを完全に制御できる追加のデバイスを開発しました。 このようにして、粒子の安定した位置を達成することができます。 その結果、科学者は実験条件を完全に制御する機会を得ました。
これまではガス流を必要に応じて制御できなかったため、 質の高い結果。 以前は、3 ミクロン未満の粒子を扱うことはまったく不可能でした。 一方、構造の形成などのプロセスを研究する観点から興味深いのは、サイズが約1ミクロンの粒子であるとアンドレイ・リパエフ氏は指摘した。
ISS にはすでに新しい機器が設置されており、画像は船からミッション管制センターに送信されます。 ロシア科学アカデミーの高温共同研究所の職員は、実験の遠隔測定とビデオを受信しており、ISS 理事会との音声通信チャネルも機能しており、交渉がどのように行われているかを聞くことができます。 プラズマ中のダスト粒子を研究するための追加の装置を使用した新しい数日間の実験が最近完了し、期待に応えました。 今、科学者たちは実験を行うだろう 詳細な分析その結果。
ロシア科学アカデミー高温共同研究所所長のオレグ・ペトロフ氏がイズベスチヤに語ったところによると、実験中に得られたデータは自己組織化プロセスの本質を理解するのに役立つだろう。
私たちが研究しているシステムは開放散逸システムです。エネルギーの絶え間ない流入と流出が存在します。 このようなシステムはすべての生物の特徴です。 このシステムに何が起こっているのでしょうか?その中にはどのような自己組織化現象がありますか? これらすべてを研究することができ、研究する必要があります」とオレグ・ペトロフは述べた。
ダストプラズマの構成要素に関するデータは、実用上非常に有益です。特に、新しい小型エネルギー電池やレーザーの作成、微小重力条件下でダイヤモンドを成長させる技術の開発が可能になります。 また、ISS から得られるデータは、プラズマ医学の開発にとって重要です。その本質は、低温プラズマが生体システムの複雑な生化学プロセスを開始、刺激、制御できるということです。
PK-4の実験はロスコスモスと欧州宇宙機関の支援を受けて実施されている。
学者V.フォルトフ、ロシア科学アカデミー極限状態熱物理学研究所所長。
2005 年 4 月、学者のウラジーミル・エフゲニエヴィチ・フォルトフは、物理科学の発展と国際科学協力への顕著な貢献に対して、名誉ある国際賞であるアルバート・アインシュタイン金メダルを受賞しました。 学者フォルトフの科学的関心は、プラズマを含む物質の極限状態の物理学の分野にあります。 暗黒物質とは別に、プラズマは自然界で最も一般的な物質の状態であり、宇宙の通常の物質の 95% がこの状態にあると推定されています。 星は、数千万度、数億度の温度を持つ電離ガスであるプラズマの塊です。 プラズマの特性が基礎を形成 現代のテクノロジー、その範囲は広範囲に及びます。 プラズマは放電ランプで光を放射し、プラズマ パネルでカラー画像を作成します。 プラズマ リアクターは、プラズマ流を使用してマイクロチップを生成し、金属を硬化し、表面を洗浄します。 プラズマプラントは廃棄物を処理してエネルギーを生成します。 プラズマ物理学は活発に発展している科学分野であり、今日に至るまで驚くべき発見がなされ、観察されています。 異常な現象、理解と説明が必要です。 最近発見された最も興味深い現象の 1 つは、 低温プラズマ、 - 「プラズマ結晶」、つまり微粒子の空間的に規則正しい構造の形成 - プラズマダスト。
科学と生命 // イラスト
科学と生命 // イラスト
宇宙飛行士の S. クリカレフ氏とユウ. ギゼンコ氏が ISS にプラズマ クリスタル装置を設置 (2001 年)。
ダスティプラズマとは何ですか?
ダスティプラズマは、固体物質の粒子であるダスト粒子を含むイオン化ガスです。 このようなプラズマは、惑星の環、彗星の尾、惑星間および星間雲など、宇宙でよく見られます。 それは、人工地球衛星の近く、磁気閉じ込めのある熱核融合施設の壁近くの領域、さらにはプラズマ炉、アーク、放電内で発見されました。
ダストプラズマは、前世紀の 20 年代にアメリカ人のアービング ラングミュアによって実験室条件で最初に取得されました。 しかし、それが積極的に研究され始めたのはここ 10 年間のことです。 マイクロエレクトロニクスにおけるプラズマ溶射およびエッチング技術の開発、さらには薄膜やナノ粒子の製造により、ダスティプラズマの特性に対する関心が高まっています。 放電チャンバの電極および壁の破壊の結果としてプラズマに侵入する固体粒子の存在は、半導体チップの表面の汚染につながるだけでなく、しばしば予測不可能な形でプラズマを乱します。 これらのマイナスの現象を軽減または防止するには、ガス放電プラズマにおける凝縮粒子の形成と成長のプロセスがどのように発生するか、およびプラズマダスト粒子が放電の特性にどのような影響を与えるかを理解する必要があります。
プラズマクリスタル
塵の粒子のサイズは比較的大きく、1 ミクロンの数分から数十、場合によっては数百ミクロンまであります。 それらの電荷は非常に大きく、電子の電荷を数百倍、さらには数十万倍も超えることがあります。 その結果、粒子の平均クーロン相互作用エネルギーは、電荷の二乗に比例して、平均を大幅に超える可能性があります。 熱エネルギー。 その結果、その挙動は理想気体の法則に従わないため、非常に非理想的と呼ばれるプラズマが生成されます。 (粒子の相互作用エネルギーが熱エネルギーよりもはるかに小さい場合、プラズマは理想気体と見なすことができることを思い出してください)。
粉塵プラズマの平衡特性の理論計算によると、特定の条件下では、強力な静電相互作用が低い熱エネルギーを「引き継ぎ」、荷電粒子が特定の方法で空間内に整列することが示されています。 クーロン結晶またはプラズマ結晶と呼ばれる秩序構造が形成されます。 プラズマ結晶は、液体または固体の空間構造に似ています。 ここでは、溶融や蒸発などの相転移が発生する可能性があります。
ダストプラズマ粒子が十分に大きければ、プラズマ結晶を肉眼で観察することができます。 初期の実験では、交流電場と静電場によって保持された鉄とアルミニウムのマイクロメートルサイズの荷電粒子の系で結晶構造の形成が記録されました。 後の研究では、低圧での高周波放電の弱電離プラズマにおけるマクロ粒子のクーロン結晶化の観察が行われた。 このようなプラズマ内の電子のエネルギーは数電子ボルト (eV) で、イオンのエネルギーは室温にある原子の熱エネルギー (約 0.03 eV) に近くなります。 これは、電子の移動性が高く、中性塵粒子に向かう電子の束がイオンの束を大幅に超えるためです。 粒子は電子を「捕捉」し、負に帯電し始めます。 この蓄積された負電荷により、電子が反発し、イオンが引き付けられます。 粒子の電荷は、その表面上の電子とイオンの流束が等しくなるまで変化します。 高周波放電を用いた実験では、塵粒子の電荷はマイナスであり、非常に大きかった（10 4 ～ 10 5 電子電荷程度）。 下部電極では重力と静電力との間の平衡が確立され、帯電した塵粒子の雲が下部電極の表面近くに浮かんでいた。 雲の直径は数センチメートルで、 垂直方向粒子の層数は数十層、粒子間の距離は数百μmでした。
熱プラズマの規則構造...
1991 年以来、ロシア科学アカデミー極限状態熱物理学研究所 (ITES RAS) は粉塵プラズマを研究し、その診断のためのさまざまな方法を開発してきました。 熱プラズマ、グローおよび高周波放電のガス放電プラズマ、光電子放出および核励起プラズマなど、さまざまなタイプのダストプラズマが研究されています。
大気圧のガスバーナーの炎の中で形成される熱プラズマの温度は1700～2200Kで、その中の電子、イオン、中性粒子の温度は等しい。 このようなプラズマの流れ中での二酸化セリウム (CeO 2) 粒子の挙動を研究しました。 この物質の特徴は、電子がその表面から非常に簡単に飛び去ることです。電子の仕事関数はわずか約 2.75 eV です。 したがって、ダスト粒子は、プラズマからの電子およびイオンの流れと、熱電子放出、つまり正の電荷を生成する加熱された粒子による電子の放出の両方によって帯電します。
マクロ粒子の空間構造はレーザー照射を使用して分析され、相関関数が得られます。 g(r), 意味は以下の通りです。 粒子の 1 つの空間内での位置を固定すると、関数は離れたところにある他の粒子が見つかる確率を示します。 rこれより。 そしてこれにより、液体および結晶構造の特徴である粒子の空間配置、つまり無秩序または秩序についての結論を引き出すことができます。
代表的な相関関数 g(r)室温でのエアロゾルジェットおよびプラズマ中の CeO 2 粒子を図に示します。 1. いつ 高温プラズマ (2170 K) とそうでない 高濃度マクロ粒子 (b) の場合、相関関数は室温の通常のエアロゾルの流れ (a) とほぼ同じ形式になります。 これは、プラズマ中の粒子の相互作用が弱く、規則的な構造の形成が起こらないことを意味します。 プラズマ温度が低く (1700 K)、粒子濃度が高くなると、相関関数は液体に特徴的な形になります。顕著な最大値があり、粒子の配置に短距離秩序が存在することを示します (c) 。 この実験では、粒子の正電荷は電子の電荷の約 1000 倍でした。 構造の秩序が比較的弱いことは、プラズマ結晶の形成プロセスが完了するまでの時間がないプラズマの寿命が短い (約 1000 分の 2 秒) ことによって説明できます。
...そしてグロー放電
熱プラズマでは、すべての粒子の温度は同じですが、輝くガス放電のプラズマでは状況が異なります。 電子温度はるかにイオン的です。 これにより、塵の多いプラズマの規則的な構造、つまりプラズマ結晶が出現するための前提条件が作成されます。
輝くガス放電では、特定の条件下で、不均一な明るさの静止ゾーンが規則的に交互に暗い間隔で現れる、立っている地層が現れます。 電子濃度と電場は、地層の長さに沿って非常に不均一です。 したがって、各層の先頭には静電トラップが形成されます。 垂直位置放電管は、正の放電カラムの領域に微粒子を保持することができます。
構造形成のプロセスは次のとおりです。コンテナから放電に注がれたミクロンサイズの粒子がプラズマ内で帯電し、一定の放電パラメーターで無限に長時間持続する構造に整列します。 レーザービームは水平面または垂直面の粒子を照射します (図 2)。 空間構造の形成はビデオカメラによって記録されます。 個々の粒子は肉眼で見ることができます。 実験では、直径 1 ～ 100 マイクロメートルの中空ホウケイ酸ガラス微小球とメラミンホルムアルデヒド粒子など、数種類の粒子を使用しました。
地層の中心には直径数十ミリ程度の塵雲が形成されています。 粒子は水平層に位置し、六角形の構造を形成しています（図3a）。 層間の距離は250から400ミクロンの範囲であり、水平面内の粒子間の距離は350から600ミクロンの範囲です。 粒子分布関数 g(r)プラズマダスト結晶は肉眼でもはっきりと見えますが、これは粒子の配列における長距離秩序の存在を裏付け、結晶構造の形成を意味します。
放電パラメータを変更することで、粒子雲の形状に影響を与え、結晶状態から液体（結晶の「融解」）、さらには気体への転移を観察することもできます。 非球形粒子（長さ 200 ～ 300 ミクロンのナイロンシリンダー）を使用すると、液晶に似た構造を得ることができました（図 4）。
宇宙の粉塵プラズマ
地球上では、プラズマ結晶のさらなる研究は重力によって妨げられています。 したがって、宇宙の微重力条件で実験を開始することが決定されました。
最初の実験は、1998年1月にロシアの軌道複合体「ミール」で宇宙飛行士A.Ya.ソロヴィヨフとP.V.ヴィノグラドフによって行われた。 彼らは、太陽光の影響下で無重力下で規則正しいプラズマダスト構造の形成を研究する必要がありました。
ネオンが充填されたガラスアンプルには、0.01 Torr と 40 Torr の圧力でセシウムでコーティングされた球形のブロンズ粒子が含まれていました。 アンプルを舷窓の近くに置き、振って、レーザーで照射された粒子の動きをビデオカメラで記録しました。 観察により、最初は粒子が無秩序に動き、その後、アンプルの壁への血漿の拡散に関連して、方向性のある動きが現れることが示されています。
また一つ発見されました 興味深い事実: アンプルを振ってから数秒後、粒子が互いにくっつき始め、凝集体を形成しました。 太陽光の影響下で、凝集体は崩壊した。 凝集の原因として考えられるのは、 最初の瞬間光が当たると、粒子は反対の電荷を帯びます。光電子の放出によりプラス、他の粒子から放出されたプラズマ電子の流れによって帯電したマイナス、そして反対に帯電した粒子は互いにくっつきます。
マクロ粒子の挙動を解析することで、その電荷の大きさ（電子の電荷約1000個分）を推定することが可能です。 ほとんどの場合、粒子は液体構造のみを形成しましたが、結晶が現れることもありました。
1998 年の初めに、国際宇宙ステーション (PC MKC) のロシア部分でロシアとドイツの共同プラズマ結晶実験を実施することが決定されました。 この実験は、マックス・プランク地球外物理研究所（ドイツ）とエネルギア・ロケット・アンド・スペース・コーポレーションの参加を得て、ロシア科学アカデミー極限状態熱物理学研究所の科学者によってセットアップされ、準備された。
この装置の主要な要素は、2 枚の正方形の鋼板と正方形のガラスインサートで構成される真空プラズマチャンバー (図 5) です。 ディスク電極が各プレートに取り付けられ、高周波放電が発生します。 電極には、プラズマに塵粒子を注入するための装置が組み込まれています。 粒子雲を照射するための 2 台のデジタル カメラと 2 台の半導体レーザーを含む光学システム全体は、プラズマダスト構造を走査するために移動できる可動プレートに取り付けられています。
技術機器 (トレーニングとも呼ばれます) と飛行機器の 2 セットが開発および製造されました。 2001 年 2 月、バイコヌールでのテストと飛行前準備の後、フライト キットは ISS のロシア セグメントのサービス モジュールに届けられました。
メラミンホルムアルデヒド粒子を使用した最初の実験は 2001 年に実施されました。 科学者の期待は正当化されました。大きな非理想パラメータを持つ三次元の秩序立った高度に帯電したミクロンサイズの粒子、つまり面心格子と体心格子を持つ三次元プラズマ結晶の形成が初めて発見されました。図7）。
高周波誘導放電を使用すると、さまざまな構成や長さのプラズマ形成を取得して研究する能力が向上します。 均一なプラズマと、それを囲む壁または周囲の中性ガスとの間の領域では、個々の荷電マクロ粒子とその集団の両方の浮遊 (ホバリング) が期待できます。 円筒形のガラス管内では、リング電極によって放電が励起され、放電はプラズマ形成の上に浮かんでいます。 大きな数粒子。 圧力と力に応じて、安定した結晶構造、振動粒子を含む構造、または対流粒子流が現れます。 平らな電極を使用すると、粒子はネオンが満たされた電球の底の上に浮かんで、規則正しい構造、つまりプラズマ結晶を形成します。 これまでのところ、このような実験は地球上の実験室や放物線飛行条件下で行われていますが、将来的にはこの装置がISSに設置される予定です。
プラズマ結晶のユニークな特性 (パラメータの生成、観察、制御が容易であること、平衡に至るまでの緩和時間や外乱への応答が短いこと) により、プラズマ結晶は、高度に非理想的なプラズマの特性とプラズマの基本的な特性の両方を研究するための優れた対象になります。結晶。 結果は、実際の原子または分子結晶をシミュレートし、それらに関連する物理プロセスを研究するために使用できます。
血漿中のマクロ粒子の構造 - 良いツールまた、マイクロエレクトロニクスに関連する応用タスク、特に超小型回路の製造中の不要なダスト粒子の除去、小さな結晶（ナノ結晶、ナノクラスター）の設計と合成、プラズマ溶射、サイズによる粒子の分離などです。 、新しい高効率光源の開発、放射性物質の粒子を作動流体とする核電池とレーザーの作成。
最後に、プラズマ中に浮遊した粒子を基板上に制御して堆積させ、それによって多孔質や複合物などの特殊な特性を持つコーティングを作成したり、異なる特性を持つ材料から多層コーティングを施した粒子を形成したりする技術を生み出すことはかなり可能です。
微生物学、医学、生態学では興味深い問題が発生します。 ダストプラズマの可能な用途のリストは常に拡大しています。
イラストのキャプション
病気。 1. 相関関数 g(r) は、この粒子から距離 r のところに別の粒子が見つかる確率を示します。 室温 300 K の空気流中の CeO 2 粒子 (a) と温度 2170 K のプラズマ中の CeO 2 粒子 (b) の場合、この関数は粒子のカオス的な分布を示します。 温度 1700 K のプラズマ (c) では、この関数は極大値を持ち、つまり液体に似た構造が現れます。
病気。 2. DC グロー放電における粉塵プラズマを研究するための設備は、低圧のネオンで満たされた垂直方向の管で、その中でグロー放電が生成されます。 特定の条件下では、不均一な明るさの静止ゾーンである放電中に、立っている地層が観察されます。 粉塵粒子は、排出エリアの上にあるメッシュ底の容器に収容されています。 容器を振ると、粒子が落ちて地層にぶら下がり、規則正しい構造を形成します。 塵を可視化するには、平面レーザー ビームを照射します。 散乱光はビデオカメラで記録されます。 モニター画面には、スペクトルの緑色領域のレーザービームをダスト粒子に照射することによって得られるプラズマダスト構造のビデオ画像が表示されます。
病気。 3. グロー放電では、規則的なダスト構造が現れます (a)。これは、結晶に特徴的ないくつかの顕著な最大値を備えた相関関数 g(r) に対応します (b)。
病気。 4. 細長いダスト粒子 (円筒形) が、特定の共通軸に平行に並びます。 この状態は、長い分子の配向に優先方向が存在する分子液晶に類推してプラズマ液晶と呼ばれます。
病気。 5. 国際宇宙ステーション (ISS) の塵プラズマを研究するための真空プラズマ チャンバー。
病気。 6. ロシア科学アカデミーの極限状態熱物理学研究所では、高周波放電におけるプラズマ結晶を研究するために特別な設備が設計された 低圧。 スペクトルの緑と赤の領域のレーザー光線をダスト粒子に照射すると、結晶構造がはっきりと見えます。
病気。 7. プラズマダスト形成の 3 つの水平層におけるダスト粒子の構造: 体心格子 (上)、面心格子 (中央)、および六方最密充填 (下)。
11月、ISSでのプラズマクリスタル実験の終了が発表された。 実験用の特別な装置は貨物船アルバート・アインシュタインに搭載され、太平洋上で船ごと燃やされました。 こうして、おそらく最も有名な宇宙実験の長い物語は終わった。 それについてお話したいと思います。そして、ISS の科学全般について少しお話したいと思います。
発見はどこにありますか？
まず第一に、やる気を失わせるような導入を行う必要があります。 現代科学はコンピュータ ゲームではありません。原則として無駄な研究はなく、発見のたびに顕著なボーナスが得られます。 そして、悲しいことに、エジソンのような孤独な天才が一人で人生を変える多くの装置を発明できる時代は過ぎました。 現在、科学は利用可能なすべての道に沿って盲目的に体系化された運動であり、大規模な組織によって実行され、何年も続き、結果がゼロになる可能性があります。 したがって、一般科学に反映されずに定期的に公開される ISS の研究に関する情報は、率直に言って非常に退屈に見えます。 同時に、これらの実験のいくつかは非常に興味深いものであり、すぐに素晴らしい結果が得られるとは限らないとしても、世界がどのように機能するか、そして新しい基礎的および応用的な発見のためにどこに向かうべきかについての理解が深まるという希望を与えてくれます。 。実験アイデア
物質は固体、液体、気体、プラズマの 4 つの相状態で存在できることが知られています。 星から星間ガスに至るまで、宇宙の質量の 99.9% はプラズマです。 地球上では、プラズマは稲妻、オーロラ、そしてたとえばガス放電ランプです。 塵粒子を含むプラズマも非常に一般的です。これらは惑星の環、彗星の尾、星間雲です。 そして、実験のアイデアは、塵の微粒子でプラズマを人工的に作成し、地球重力と微小重力の条件下でのその挙動を観察することでした。
実験の最初のバージョン (写真) では、塵の多いプラズマを含むアンプルが太陽の光で照らされ、プラズマ内の塵がレーザーで照らされ、照らされた領域がカメラで撮影されました。 その後、より複雑な実験設定が使用されました。 「アルバート・アインシュタイン」とともに焼失した「黒い樽」はすでに第3世代のインスタレーションだった。
結果
微小重力条件での実験は科学者の期待に応え、粉塵の多いプラズマは結晶構造になったり、液体の性質を示したりした。 分子が無秩序に運動する理想気体とは異なり（熱運動を参照）、気体であるダストプラズマは固体と液体の特性を示し、溶融と蒸発のプロセスが可能です。同時に、思わぬ発見もありました。 たとえば、結晶内に空洞が現れる可能性があります。 なぜなのかはまだ不明です。
しかし、最も予想外の発見は、塵の多いプラズマが特定の条件下で DNA に似たらせん構造を形成したということでした。 おそらく、地球上の生命の起源さえも、何らかの形で塵プラズマと関係しているのかもしれません。
展望
プラズマ結晶実験に関する長年の研究の結果は、次のような基本的な可能性を示しています。- 粉塵プラズマ中でのユニークな特性を持つナノマテリアルの形成。
- 粉塵プラズマからの材料を基板上に堆積させ、多層、多孔質、複合などの新しいタイプのコーティングを取得します。
- 産業放出および放射線放出からの空気浄化、および微細回路のプラズマエッチング中の空気浄化。
- 無生物および生物の開いた傷のプラズマ滅菌。
残念なことに、このすべての美しさは、早ければ10年以内に入手できるようになるでしょう。 なぜなら、作業の結果に基づいて、実験用の応用設備、プロトタイプを構築し、試験または臨床研究を実施し、量産を組織する必要があるからです。