Российские физики изучили фронт «горения» кристаллов в комплексной плазме

Российские ученые из МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с коллегами из Германии и Франции исследовали процесс горения на уровне отдельных частиц, используя содержащую твердые частицы плазму. Они показали, что при определенных условиях плазменный кристалл становится неустойчивым, демонстрируя процесс, похожий на распространение фронта горения в твердых веществах. О своей работе ученые рассказали в журнале Physical Review E. Исследования поддержаны грантами Российского научного фонда (РНФ).

Реклама

Авторы работы использовали в своем исследовании комплексную плазму. Такая система образуется при попадании достаточно малых (микронных размеров) частиц в плазму — ионизированный газ. В плазме эти частицы заряжаются и начинают вести себя подобно атомам, которые слишком малы для изучения (в противоположность микронным «псевдоатомам») и которые невозможно увидеть в режиме реального времени. Благодаря этому пылевую плазму можно успешно использовать в качестве модели для изучения коллективных явлений в классических жидкостях и кристаллах на уровне отдельных частиц. По словам одного из авторов работы, ведущего научного сотрудника МГТУ им. Н.Э. Баумана Станислава Юрченко, горение на таком уровне еще никто систематически не изучал. В нескольких работах проводятся компьютерные симуляции на очень малом количестве частиц, но в экспериментальных системах-аналогах (состоящих из многих тысяч частиц) горение остается слабоизученным явлением.

Частицы в плазме отталкиваются друг от друга, могут даже «кристаллизоваться», образуя плазменные кристаллы. Кроме того, эти псевдоатомы взаимодействуют с потоками плазмы, в которой они находятся. Особенности этого взаимодействия можно регулировать, меняя параметры плазменного разряда. В настоящей работе ученые доказывают сходство между неустойчивостью плазменного кристалла и распространением фронта горения в твердых химически реактивных средах.

«Мы обнаружили, что при определенных условиях плазменный кристалл становится неустойчив, в центральной области кристалла, которую мы называем областью поджига, энергия микрочастиц начинает очень сильно расти, и возникает явление, физически эквивалентное распространению фронта горения в химически реактивных средах», — рассказал Станислав Юрченко.

Процессы, аналогичные горению, встречаются повсеместно: от самоподдерживающихся химических реакций и химического катализа до взаимодействия химических веществ во льдах сложного состава. Эксперименты с комплексной плазмой дают возможность изучать реакции в таких системах на уровне отдельных частиц. Кроме применений на Земле выводы работы могут оказаться полезны и в изучении эволюции состава космической пыли.

Ученые продолжают исследования горения твердых тел, пытаются определить, например, какую роль при распространении фронта пламени играют дефекты. Известно, что они выступают как предактиваторы, то есть вещество сначала разогревается до некоторой температуры благодаря дефектам, а уже после этого воспламеняется. За этой двухстадийной химической реакцией можно наблюдать благодаря экспериментальным системам, комплексным плазмам, но ранее этого никто не делал.

Подобные исследования позволят изучить, например, влияние степени дефектности химически реактивных кристаллов в твердом топливе на особенности их горения. Кроме того, результаты исследования могут пригодиться при синтезе новых материалов, которые образуются в результате самоподдерживающихся реакций, физически очень похожих на горение, как, например, высокотемпературный синтез карбида кремния. Это соединение используется при изготовлении инструментов для резки и шлифовки, а также в конструкциях, работающих в агрессивных химических условиях и в радиоактивной среде (к примеру, в химических и ядерных реакторах).