I fisici hanno recentemente studiato il comportamento delle particelle in un plasma polveroso a una temperatura inferiore a 2 gradi K. L'esperimento ha mostrato che a temperature estremamente basse, i nanocluster possono formarsi nel plasma, e avviene la sintesi delle fibre polimeriche. I risultati dell'esperimento possono essere utilizzati per creare nuovi materiali con proprietà desiderate e controllate. I risultati di questo studio sono pubblicati in Rapporti scientifici .

Scienziati dell'Istituto congiunto per le alte temperature, Accademia Russa delle Scienze insieme ai colleghi del ramo dell'Istituto Talrose per i problemi energetici della fisica chimica, RAS e l'Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca hanno studiato un plasma polveroso multimodale formato in una colonna positiva della scarica a bagliore di corrente continua a temperature ultrabasse (a temperature dell'elio superfluido).

Secondo Oleg Petrov, direttore dell'Istituto per le alte temperature RAS e uno degli autori dell'articolo, gli scienziati sono riusciti per la prima volta ad osservare il plasma polveroso in una scarica di gas raffreddata da elio superfluido a una temperatura compresa tra 1,6 e 2 gradi K. Fino ad ora, plasma polveroso e persino scariche di gas non sono stati studiati a temperature inferiori a 4,2 gradi K, che è la temperatura dell'elio liquido.

Nel corso dell'esperimento, lo sputtering ionico di polimeri da uno speciale inserto ha provocato fenomeni di auto-organizzazione, vale a dire, la formazione di nanocluster con dimensioni inferiori a 100 nm e fibre polimeriche con una lunghezza fino a 5 mm e un diametro di circa 10 micron. Ottenuto a temperature estreme, le fibre non collassano se studiate successivamente in condizioni normali.

"A temperature ultrabasse, diventa possibile controllare con precisione la composizione del materiale spruzzato, poiché in queste condizioni eventuali impurità "congelano" e precipitano, " Dice Oleg Petrov. "Di conseguenza, quando si spruzza una sostanza nell'elio gassoso, è possibile ottenere materiali super puri, che potrebbe essere il modo per ottenere fibre con nuove proprietà desiderate, ad esempio, nuovi tipi di polimeri che non possono essere ottenuti con la normale sintesi chimica. Tali materiali possono essere radicalmente diversi da quelli esistenti".

I fenomeni di autorganizzazione sono diffusi in natura, e sono osservati in vari sistemi di complessità e scala, compresi eventi fisici su nanoscala, astronomia, e in biologico, processi sociali ed economici. Tali fenomeni sono caratteristici dei cosiddetti sistemi aperti (non in equilibrio), che include, tra gli altri, plasma polveroso formato da particelle cariche di dimensioni micron, trattenuto nel plasma di una scarica elettrica a gas. L'intensa diffusione della radiazione laser da parte delle particelle consente di studiare i sistemi formati da particelle cariche, tracciando le loro coordinate e velocità in tempo reale. Il plasma polveroso è uno strumento conveniente per studiare vari fenomeni, Per esempio, transizioni di fase tridimensionali e bidimensionali, così come la formazione di onde non lineari.

Rispetto ai sistemi alternativi, il plasma polveroso offre un'opportunità unica di variare la temperatura del gas che forma il plasma, l'elio gassoso, che aiuta a studiare l'effetto delle variazioni di temperatura del gas sulle proprietà del plasma e sui processi che si verificano in esso. La questione del limite inferiore delle temperature alle quali possono essere effettuati studi sperimentali sul plasma polveroso è rimasta aperta fino a poco tempo fa.

Il motivo di questa scarsa conoscenza del plasma a scarica di gas a temperature inferiori a 4,2 gradi K è legato al fatto che il problema non è solo quello di raffreddare il tubo a temperature inferiori a quella dell'elio liquido, ma anche il limite di potenza nello scarico che porta al riscaldamento dell'elio gassoso.

L'esperimento, i cui risultati sono stati pubblicati in Rapporti scientifici , è stata effettuata con un criostato ottico su una piattaforma destinata allo studio delle strutture plasma-polvere a temperature dell'elio. Attualmente, gli scienziati del JIHT RAS intendono continuare gli esperimenti e studiare i fenomeni di auto-organizzazione in plasmi polverosi a temperature ultrabasse utilizzando vari materiali dispersi.