Пылевая плазма
АрхивНаука и жизньО пользе и вреде пылевой плазмы, её свойствах и применении рассказывает Геннадий Сухинин, заместитель заведующего лабораторией разреженных газов Института теплофизики СО РАН им. С.С. Кутателадзе, доктор физико-математических наук.
Плазма составляет около 95% обычной материи во Вселенной - так считалось ещё совсем недавно, лет двадцать назад. Ныне плазма уступила пальму первенства экзотическим "темной" энергии (70%) и темной материи (25%), которые ответственны за расширение Вселенной. На плазму осталось около 4% всей материи Вселенной. На четвертом месте идут звезды (0.5%) и нейтрино (0.3%), а на тяжелые элементы остается только 0.03%.
Межзвездные облака и туманности, короны звезд, хвосты комет и кольца планет состоят из сгустков плазмы или ионизованного газа с температурой, достигающей иногда десятков и сотен миллионов градусов, а иногда - вполне холодных. Ионосфера Земли, молнии, полярные сияния, пламя пожаров или обычных свечей - все это плазма. Плазма присутствует во многих технологических устройствах и приборах, созданных человеком (термоядерные и плазмохимические реакторы, плазменные экраны, электроразрядные лампы и светильники и т.д.). Одним словом, плазма – четвертое состояние вещества, изучение которого является необходимым для многих направлений современных технологий. Это производство плазменных панелей, микросхем упрочнение материалов; очистка поверхностей; переработка бытовых и медицинских отходов.
Казалось бы, с плазмой и её применением всё давно ясно – её изучают и активно применяют. Но несколько лет назад оказалось, что физика плазмы приберегла для ученых сюрприз – плазменный кристалл. Плазменный кристалл – это упорядоченная структура сильно заряженных мелкодисперсных частиц в обыкновенной плазме. Такая смесь обычной плазмы, состоящей из электронов, ионов и тяжелых отрицательно, а иногда положительно заряженных частиц микронных или субмикронных размеров, обычно называется пылевой плазмой. В зависимости от условий, пылевая плазма может иметь самые разные и неожиданные свойства. И теперь, без преувеличения можно сказать, что пылевая плазма стала для исследователей одним из привлекательнейших и красивейших явлений. Однако исследование пылевой плазмы и плазменного кристалла – это не только увлекательное занятие для эстетов, но и основа для важных направлений науки, таких, например, как нанотехнологии.
- Геннадий Иванович, что такое пылевая плазма?
- Это обычная плазма, в которой содержатся маленькие частички, т.е. частички конденсированного вещества микронных размеров или даже наноразмерные частицы, заряжающиеся в плазме до очень большого (обычно отрицательного) заряда. Такая частичка может нести на себе тысячи или десятки тысяч элементарных зарядов, равных заряду электрона.
- А имеет значение, какие частицы использовать?
- По сравнению с атомами и молекулами пылевые частицы вовсе не маленькие. Иногда, например, в плазмохимических реакторах, эти частички образуются сами по себе. Молекулы в плазме ионизируются, диссоциируют, образуют активные радикалы. При столкновениях между собой эти частицы начинают слипаться (коагулируют), образуют сначала малые кластеры, которые в результате последующих столкновений растут и дорастают до микронных размеров. Форма таких "естественных" пылевых частиц может быть достаточно произвольной. Такие частицы могут быть рыхлыми, фрактальными, многослойными, бесформенными. В лабораторных же условиях при изучении пылевой плазмы обычно используют специально приготовленные сферические моноразмерные металлические или диэлектрические (пластиковые) частицы.
- И как на этих маленьких частицах возникает такой большой заряд?
- Заряжаются такие частицы в плазме очень просто. На них из плазмы падают электроны и ионы. Электроны по сравнению с ионами очень подвижны. Их поток на частичку сначала намного больше, чем поток ионов. И пылевые частицы начинают заряжаться, возникает электрический потенциал, который препятствует приходу на частицу новых электронов и, наоборот, ускоряет приход ионов. В конце концов, устанавливается динамическое равновесие, выравниваются потоки ионов и электронов, и оказывается, что одна частичка заряжена огромным зарядом.
Бывают, впрочем, и положительно заряженные частицы. Это обычно большие углеродные кластеры, или, например, углеродные нанотрубки, которые могут испускать электроны, если к ним приложено электрическое поле. За счет эмиссии электронов такие частицы становятся положительно заряженными.
Оказалось, что это очень интересная система заряженных частиц, новый вид плазмы, её называют комплексная (сложная), или пылевая плазма (complex or dusty plasma).
Впервые сильно заряженные частицы обнаружил Ирвинг Ленгмюр (Irving Langmuir) – это основоположник физики плазмы, Нобелевский лауреат (по химии, 1932 г.). В 1924 году он занимался дуговым разрядом и увидел, что при распылении вольфрамового электрода образуются крошечные капельки, которые заряжаются и движутся в электрическом поле вблизи электрода – это первое наблюдение пылевой плазмы. А потом они вдруг обнаружились всюду, и в космосе, и на Земле. Другой корифей физики плазмы, Спицер (Lyman Spitzer Jr.), автор многих известных книг ("Physical Processes in the Interstellar Medium"; "Physics of Fully Ionized Gases"; "Diffuse Matter in Space") ещё в 40-х гг. XX века предположил, что в космосе, в межзвездном пространстве всюду встречаются пылевые частицы, которые заряжаются при фотоионизации под действием ультрафиолета. Еще один Нобелевский лауреат по физике (1970), шведский ученый Ханнес Альвфен в книге ("On the Origin of the Solar System") предположил, что именно коагуляция пылевых частиц в звездных туманностях приводит к образованию комет и планет.
Упорядоченная пылевая структура
- Это были гипотезы. Они подтвердились?
- Действительно, в космосе много пылевой плазмы – в межзвездных туманностях, хвостах комет, кольцах планет. Для солнечной системы такой вывод подтверждается прямыми наблюдениями с космических аппаратов. Известный пример – кольца Сатурна. В 80е гг "Voyager-2" и космический корабль Cassini, пролетая мимо Сатурна, делали снимки его колец. И стало ясно – кольца Сатурна состоят из булыжников, камушков, и заряженной пыли, которые как спутники орбитируют вокруг планеты. У других планет и некоторых спутников планет в Солнечной системе тоже есть кольца, и они тоже состоят из различных обломков космических столкновений и заряженной пыли. А еще кометы – это свободные "субъекты" Солнечной системы, имеющие большую массу, которые несутся в межпланетном пространстве и тянут за собой шлейф газа и пылевых частиц. Это и есть хвост кометы. Частицы в нем заряжаются и не могут разлететься, потому что их удерживают электрические и гравитационные поля.
- Но это всё космическая экзотика. А на Земле есть пыль?
- Примерно тогда же, в 80-е гг., бурно развивалась микроэлектроника, напыляли различные плёнки, например, кремниевые (или из оксида кремния), чтобы всякие микродевайсы полупроводниковые делать. Электронные устройства, например, чипы, микросхемы для компьютеров, делаются по такому принципу: подложку из чистейшего материала помещают в вакуумную камеру, с помощью пучков ионов в ней проделывают бороздки (процесс травления), т.е. прорезают микронного или субмикронного размера канавки. Потом организуют в камере низкотемпературную плазму, состоящую из инертного газа и газа, который должен покрыть подложку и все бороздки тончайшим слоем, иногда толщиной в несколько атомарных слоев. Грязь в таких процессах совершенно недопустима.
- Газы нужно очищать?
- Конечно! Микроэлектронные устройства надо готовить в очень чистых, стерильных условиях, потому что если будут загрязнения, они не смогут работать правильно. В 80-е гг. в Америке, Японии, в Европе, когда развивалась микроэлектроника, думали, что могут помочь чистые комнаты. Создавали дорогущие помещения, а внутри ставили установки, ходили в них почти в скафандрах, как космонавты. Напыляли один слой за другим. Но получалось не очень хорошо, казалось, что грязь всё равно проникает в покрытия. И только в 89 году Гари Селвин (G. Selwyn) из фирмы IBM, проводя лазерные исследования в таком реакторе, обнаружил, что над подложкой летают частицы микронных размеров, их очень много и они заряжены. Это кластеры или частицы, которые образовались в результате коагуляции непосредственно в разряде. Огромное количество. Когда разряд выключают, все эти частицы падают на устройство и портят его совершенно. Конечно, и в других местах (и в Японии, и во Франции и в СССР) уже тогда занимались кластерами, понимали их вредное влияние на качество пленок. Пытались с ними бороться и даже напылять из кластеров пленки со специальными свойствами.
Но тут было понято, что в реакторе образуются большие заряженные кластеры - микронные частицы, которые хорошо видно. Такие частицы отражают свет, их можно сфотографировать или снять на видеокамеру. Это потому, что размер микронных частиц больше длины волны лазерного излучения в оптической области. А вот наномикронные частицы и малые кластеры уже невозможно разглядеть в оптической области света, их труднее регистрировать, но они также присутствуют в разряде. В общем, увидели, что в разряде возникает много частиц, которые могут загрязнять поверхность. Они сами возникают в химическом реакторе! Молекулы метана CH4 или моносилана SiH4, которые часто используют в микроэлектронике, легко ионизируются, диссоциируют, потом слипаются, образуют кластеры, их становится всё больше и больше, они вырастают, образуется пылевую плазму. Возникла задача – научиться бороться с этими пылевыми частицами.
Таким образом, кроме астрофизики пылевые частицы изучались – и с помощью развития электроники, через борьбу с загрязнениями.
А потом в 1986 году Икези (H. Ikezi, Coulomb solid of small particles in plasmas. - Physics of Fluids, 29, 1764 (1986)) первым догадался, что если для таких частиц в плазме создать ловушку, например, поместить их во внешнее электрическое поле и поле тяжести, то может организоваться пылевой кристалл. Частицы будут висеть (левитировать) в разряде. Между частицами будут одинаковые расстояния – они будут находиться в узлах решетки, как атомы в кристаллическом твердом теле. Должна образоваться очень красивая кристаллическая структура! Через восемь лет в 1994 г. одновременно в нескольких местах (на Тайване, в Германии, в США, в Японии) обнаружили кулоновские кристаллы. Кулоновские – потому, что между заряженными пылинками действует экранированный кулоновский потенциал отталкивания.
Установка для изучения плазменных кристаллов
Потенциал между пылевыми частицами похож на потенциал Юкавы, описывающий сильное взаимодействие нуклонов в ядре. Поэтому пылевые кристаллы называют иногда юкавовскими системами. (Хидэки Юкава японский физик-теоретик в 1949 году за предсказание существования мезонов и теоретические исследования природы ядерных сил получил Нобелевскую премию по физике).
После 94 года начался бум, все ринулись изучать пылевую плазму, кулоновские кристаллы.
- Кулоновские кристаллы помогают в изучении твердого тела?
- Я бы сказал – способствуют. Пылевые кристаллы легко наблюдать, т.к. расстояния между частицами десятки и сотни микрон, а не ангстремы, как в твердом теле. Посветил лазером и отраженный свет зарегистрировал. Можно легко "увидеть" и запомнить положение и скорости сразу всех частиц в пылевом кристалле. Увидеть и проследить эволюцию всей трёхмерной структуры. Как и атомы в твёрдом теле, пылевые частицы в узлах решётки плазменного кристалла немного шевелятся. Если на них воздействовать, например, посветить лазером или пучком электронов - они начнут шевелиться сильнее, кристалл начнет нагреваться. В конце концов, пылевой кристалл, как и твердое тело, при нагревании начинает плавиться. Расстояния между частицами становятся не строго одинаковыми, а то больше, то меньше. Пропадает дальний порядок между пылевыми частицами, а ближний порядок остается, т.е. пылевой кристалл становится пылевой жидкостью – происходит фазовый переход. В "жидкообразной" пылевой структуре можно наблюдать течения пылевой жидкости, образование вихрей, конвективных течений. Если нагреть пылевую плазму ещё сильнее – то все упорядоченные структуры и вовсе пропадут, возникнет хаос, пылевая плазма станет "газообразной". Такие фазовые переходы легко наблюдать, проверять на них различные модели.
- Кому нужна пылевая плазма?
- Прежде всего, пылевая плазма существует. И её нужно изучать! Когда спрашивают, зачем нужна пылевая плазма, и какая от неё польза, на это сложно ответить. В астрофизике, например, – есть это явление, и всё. У нас надои молока от этого не увеличиваются.
Вообще, пылевая плазма – это неравновесная диссипативная открытая система. А в таких системах возможны процессы самоорганизации различных структур. А ещё – это система неидеальная, с сильным взаимодействием. Изучая такие системы, можно многое понять и про другие неидеальные системы – и в микромире тоже. Отсюда такой интерес к пылевой плазме.
Но красивые явления, как это часто бывает, не только интересны и полезны, но и вредны. В микроэлектронике роль пылевой плазмы понятна. Это красивое явление приводило к большому количеству брака, к удорожанию микросхем. Сейчас догадались, как с этим бороться. Но кроме астрофизики и микроэлектроники, пылевая плазма интересна сама по себе. В лабораторных исследованиях можно наглядно изучать различные процессы: пылевые кристаллы и жидкости, фазовые переходы и волновые процессы. В тлеющем разряде, например, много всяких красивых явлений: звуковые и ударные волны, солитоны.
Когда-то Юджин Вигнер, знаменитый физик и математик и также Нобелевский лауреат по физике (1963) написал статью о непостижимой эффективности математики: практически всё, что в математике люди придумали, даже самое абстрактное, оказывается применимым и полезным в физике или других науках, в технологии. То же самое можно сказать и про пылевую плазму или, например, про углеродные кластеры, фуллерены и нанотрубки. Сейчас ученые многих стран используют свои знания из разных областей физики, чтобы понять свойства пылевой плазмы, но придёт время - и все затраты окупятся!
Кстати, Юджин Вигнер ещё в 1934 году показал, что может существовать упорядоченное состояние электронов, находящихся в поле положительного, равномерно распределённого заряда – это Ви́гнеровский кристалл. Так что пылевые кристаллы в некотором смысле связаны и с Ви́гнеровскими кристаллами.
И, конечно, ученые думают, предлагают различные проекты, как позитивно использовать пылевую плазму, которые пока кажутся фантастическими.
- Какие, например?
- Например, можно делать нано- или микропорошки для медицины или микроэлектроники, покрытые некоторым защитным слоем. Каждую частичку вы хотите покрыть каким-нибудь слоем. Или создавать пористые поверхности из одинаковых крошечных шариков с заданными химическими свойствами. Так вот, они слипнутся, и их не покроешь со всех сторон. А когда вы впрыскиваете их в плазму, они не слипаются. Они висят, потому что сила тяжести тянет их в одну сторону, скажем, вниз, а электрическое поле им не дает упасть – частицы левитируют в реакторе. Плазму вы можете сделать из чего угодно, из разных газов, и нужные вам ионы будут обволакивать пылевые частицы.
Пока важнее то, что это просто очень красивая физика. Это и пылевые кристаллы, и жидкости, в которых образуются вихри, возникают акустические и ударные волны, различные пылевые структуры. Обнаружены сферические структуры – файерболы (Fireballs или Coulomb Balls), состоящие из нескольких слоев пылевых частиц, как в матрёшке. В каждом слое или оболочке находится (почти) строго определенное число частиц. Эти числа называют магическими. Очень красиво. Такой светящийся шар напоминает шаровую молнию.
- А можно задать определенную структуру пылевому кристаллу?
- Структуры весьма различны, многообразны, но наиболее распространенные пылевые кристаллы похожи по структуре на кристалл графита. Это листы или плоскости, разлинованные треугольной сеткой, т.е. плоскость заполнена правильными треугольниками, в вершинах которых находятся частички пыли. Такой слой в реакторе может быть один. Тогда это уникальный пример двумерной структуры. Но слоев может быть и много - один над другим.
Встречаются цепочки частиц, висящие разрядной трубке вдоль ее оси, файерболы, отдельные плоскости и т.д. В жидких пылевых облаках пылевые частицы образуют вихревые или волновые течения. В высокочастотных разрядах в условиях микрогравитации (т.е. в экспериментах на космической станции) в пылевых структурах образуются полости, свободные от частиц – это "войды". Они похожи на эллипсоид, границы которого испытывают регулярные биения с такой же частотой, как бьётся сердце у человека ~ 1 Герц.
Сейчас на МКС исследуют пылевую плазму в условиях микрогравитации. Совсем от гравитации нельзя избавиться и в космосе. Эксперимент во всём мире называется "Nefedov". А.П. Нефедов – это был очень известный специалист в области плазмы. Работал в Объединённом институте высоких температур РАН (Москва), в честь него назвали установку на МКС.
Лабораторный снимок пылевой плазмы
- А как космонавты справляются с физическими опытами?
- Среди космонавтов и астронавтов есть не только космические туристы, у многих космонавтов очень хорошее образование. Они на орбите не только крутят педали велоэргометра в невесомости. Кто-то выращивает дрозофил, кто-то фотографирует объекты и красоты той или иной страны или звездного неба, а кому-то интересно заниматься физическими экспериментами. Причем, и наши, и американцы, и европейцы занимаются физикой с большим удовольствием. Когда вы полгода болтаетесь в невесомости, хочется заняться чем-то таким, а не только смотреть, как у вас прорастают семена, хотя это очень важно, и я не хочу обидеть биологов. Биология – это потрясающе интересно, за ней будущее!
- Зачем русские и немцы объединились в эксперименте "Плазменный кристалл"?
Умные люди если не конкурируют, то сотрудничают. После 1991 года в России с наукой были проблемы. Сейчас, несмотря на кризис, ситуация лучше. Но многие наши ученые уехали. Работают в США, в Австралии, где их только нет! В Германии работает много наших хороших специалистов по пылевой плазме. Так нужно с ними сотрудничать! Это полезно всем. Наука интернациональна, но в разных странах имеются свои достижения.
Пылевая плазма активно изучается в Соединенных Штатах и Японии, в Германии и во Франции, в Китае и на Тайване. В Венгрии, Казахстане и на Украине.
У нас в стране, конечно, в Москве, в Объединённом институте высоких температур РАН и Институте общей физики РАН, и во многих других институтах, в Петербурге. В Новосибирске также есть люди, занимающиеся пылевой плазмой или смежными вопросами. Вообще, в ОИВТ РАН сейчас одна из самых значительных и признанных в мире научных школ по исследованию пылевой плазмы. Руководит ею академик РАН, В.Е. Фортов.
- Мешает ли плазменная пыль в термоядерных реакторах?
- Она почти всюду мешает. В термоядерных реакторах огромные потоки энергии, поверхность под воздействием заряженных частиц распыляется. В термоядерных реакторах огромная температура в центре – там явно пыли нет, а на краях, - умеренные условия, и эти частички образуются и накапливаются где-то на периферии, но, конечно, мешают, приводят к неустойчивости в этой плазме.
- И как с этим бороться?
- Как они с этим борются в термоядерных реакторах, я не знаю. Наверное, так же, как и в микроэлектронике. Пылинки заряжены, на них можно воздействовать электрическими полями и как-то удалять. Точно я не знаю. Думаю, каждая фирма решает этот вопрос самостоятельно, не делясь информацией. Большие деньги. Но, однозначно, с этим научились бороться.
- Имеет пылевая плазма отношение к нанотехнологии?
- Конечно! Это почти одно и то же. В пылевой лабораторной плазме чаще изучают частицы микронных размеров (r0~10-6м = 1 μм), потому что их легко видеть в оптических лучах. Наночастицы имеют размеры чуть меньше (например, сто нанометров – это 0.1 μм, r0~0-7м). Ну и заряд наночастицы меньше, т.к. заряд частицы пропорционален её радиусу. И, как уже говорилось, их в оптической области не видно, надо светить чем-то другим, а вся физика точно такая же. Ну а нанотехнология в нашей стране – это "наше всё", без неё прям никуда. А там точно такие же процессы. Так же выращивают нанотрубки, фуллерены.
- А как вы стали этим заниматься?
- Случайно. Мы вообще занимались напылением пленок, изучением фуллеренов, стратами в разрядах, решали уравнения Больцмана для функции распределения электронов по энергиям в стратифицированных разрядах. Занимались сферическим тлеющим разрядом. Это очень красивое явление, когда вокруг точечного анода возникает много вложенных друг в друга светящихся слоев – опять матрёшка. Кстати, очень похоже на файрболы, о которых мы уже вспоминали. На какой-то конференции нам сказали: "у нас тоже плазма, тоже неоднородная, тоже неравновесная, и со стратами". И у нас сейчас договор с ОИВТ РАН, совместный гранд, который, к сожалению, через год кончается. Нужно думать о новом гранте.
- Вас здесь (в Институте теплофизики СО РАН) всего два человека, которые занимаются пылевой плазмой. Какие конкретно вы решаете задачи?
- Всего два научных сотрудника и студенты. Но в нашей лаборатории есть люди, которые занимаются очень близкими вещами, связанными с нанофизикой, с наночастицами. Только мы изучаем круглые микронные частицы, а они занимаются наночастицами из углерода. В 1985 году группой Смоли, Крото и Кёрла были открыты замечательные углеродные молекулы – фуллерены. Из углерода в плазме, в разрядах могут вырастать крошечные полые сферы, похожие на футбольный мяч, C60 – шестьдесят атомов углерода. А если разрезать фуллерен и расположить в нем ещё слой атомов углерода, он становится, как мячик для регби или как трубка со сферическими концами. Такие большие фуллерены и нанотрубки бывают однослойными и многослойными, у них масса замечательных свойств, которые уже можно использовать, но это другая история. За открытие фуллеренов Смоли, Крото и Кёрл в 1996 г. были удостоены Нобелевской премии по химии.
И тоже был бум изучения фуллеренов и нанотрубок, и этот бум ещё продолжается. Нанотехнологии в значительной степени связаны с углеродными нанотрубками. А заряженные нанотрубки в плазме – это тоже пылевая плазма со специфическими свойствами. У нас в Академгородке фуллеренами занимаются в Институте неорганической химии, в Институте теоретической и прикладной механики.
В НГУ на физфаке пылевую плазму тоже изучают, но не с точки зрения астрофизики, а в рамках геофизических исследований для изучения ионосферы. Там тоже много пылевых частиц. Частицы ионизируются, слипаются, на что-то влияют, по-другому отражают электромагнитные волны, то есть не так, как простые атомы и молекулы.
- Дадут ли Нобелевскую премию за пылевую плазму?
- Мы вспомнили много Нобелевских лауреатов. Мне кажется, что достижения в области пылевой плазмы достойны премии. В пылевой плазме много красивых и разнообразных явлений, позволивших физикам с различной специализацией получать радость от исследований. Интерес весьма велик. Пылевая плазма показала, что в физике остались нерешёнными не только проблемы, связанные с элементарными частицами или космологией.
Однако Нобелевскую премию дают только трем (не более) ученым за одну тему. А в пылевой комплексной плазме людей и научных центров в различных странах, внесших существенный вклад в их развитие, заметно больше. Уже написаны тысячи статей (почти пять тысяч), десятки книг и обзоров в хороших, престижных журналах. Много достойных, но есть и явные лидеры. Кто-то будет обижен, но многие испытают радость и гордость от причастности к красоте.
