Учёные готовятся встретить жизнь в недрах Солнца. Учёные собираются найти генетический код в полярных сияниях. Учёные ищут разум в газопылевых дисках. Учёные вот-вот найдут гены у люминесцентной лампочки. Что это? Скажете, заголовки «жёлтых» газет? Ничего подобного! В самом деле, этими необычными утверждениями могут скоро запестреть научные журналы. Конечно, если подтвердится одно недавнее открытие.
Обычная плазма — это ионизированный газ, который является квазинейтральным. Иначе говоря, плазма представляет собой «набор» из ионов и электронов. Их электрический заряд в сумме нейтрален, поэтому плазма не заряжена. Она имеет необычные свойства, взаимодействует с внешними магнитными полями и является проводящей средой.
Плазму называет четвёртым состоянием вещества — помимо твёрдого, жидкого и газообразного. На первый взгляд, плазма — это что-то редкое и экзотическое, однако это неверное представление. По некоторым оценкам, из неё состоит до 99% Вселенной, так как она составляет основную часть галактик, звёзд, межзвёздного газа.
Но некоторых физиков интересует не столько обычная плазма, сколько более сложный случай — так называемая пылевая плазма.
Лабораторный снимок пылевой плазмы. Здесь от неё исходит голубоватое свечение, а красный луч — это лазер, в котором хорошо заметны пылевые частицы (фото с сайта mpe.mpg.de).
Пылевая плазма отличается от «просто плазмы» наличием пылинок — крошечных частиц диаметром от 10 до 100 нанометров. Впервые пылевую плазму в лабораторных условиях в 1920-х годах наблюдал Ирвинг Лэнгмюр (Irving Langmuir), нобелевский лауреат по химии, который собственно и предложил ввести в научный обиход слово «плазма».
Но с тех пор плазма с пылью внутри практически никого не интересовала. Только самую малость она привлекала астрономов, ведь космическую плазму засоряют самые разные частицы: от звёздной пыли до тех, что входят в состав колец Сатурна.
Снимок кристаллизации настоящей пылевой плазмы. Показан участок шириной около 4 сантиметров (фото с сайта mpe.mpg.de).
Тяга к пылевой плазме у учёных снова возникла в середине 1980-х годов в связи с развитием технологий создания микросхем. Одним из важных условий разработки в ряде производственных процессов была герметичность — точнее, полное ограничение доступа пыли к заготовке. Это было связано с тем, что в определённых случаях попадание микрочастиц приводило к порче чипа.
Однако оказалось, что при создании микросхем посредством плазменного травления — метода, использующего поток плазмы для распыления подложки — от пыли избавиться очень трудно. Экспериментаторы винили в этом пыль, попадавшую снаружи в камеру, где происходит травление. Когда же они стали прикладывать больше усилий для очистки внешнего помещения, это не особенно помогло.
Долгое время никто не мог понять — в чём дело, пока внутрь камеры не направили луч лазера и не увидели, что пыль возникает в результате самого процесса травления и попадает в плазму. При этом частицы со временем в ней слипаются, и вместо нанометровых размеров они приобретают микрометровые масштабы. А это уже губительно для микроустройств.
С тех пор учёные уделяют более пристальное внимание пылевой плазме и сгущению пылинок в ней. Этот процесс называют плазменной кристаллизацией, а сами такие частицы — плазменными кристаллами.
Большинство опытов по исследованию пылевой плазмы проводится в земных лабораторных условиях. Уникальным исключением является эксперимент «Плазменный кристалл» (Das Plasmakristall-Experiment), уже много лет проводящийся на Международной космической станции. Автор концепции эксперимента — Грегор Морфилль (Gregor E. Morfill), профессор Института внеземной физики Макса Планка (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik).
Обычно в лаборатории плазменные кристаллы представляют собой группу частиц, равномерным образом распределённых в пространстве. Но на этот раз Морфилль решил смоделировать поведение этих частиц с помощью компьютера. В результате такого эксперимента условия были, естественно, идеальными — безо всяких внешних воздействий, в том числе, и без гравитации.
Исследователи группы Морфилля построили модель эволюции пылевого облака в плазме. (a), (b) и (c) — последовательно сменяющие друг друга стадии. Чем «краснее» пылинка, тем меньше её скорость, чем «синее» — тем больше. Если верить этой модели, воспроизводящей идеальные условия, то в стадии (c) пылинки ведут себя как нечто среднее между жидкостью и гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой. Кстати, участники работы предполагают, что в пылевой плазме могут формироваться такие структуры с поликристаллическим порядком (иллюстрация Tsytovich V. N. et al.).
