Группа российских исследователей изучила тепловые дефекты и двухстадийное плавление. Для этого использовали однослойный кристалл плазмы (заряженного газа) с примесью тяжелых пылевых частиц. Некоторые явления в такой плазме аналогичны процессам, происходящим на уровне молекул: из-за разной массы частицы иначе взаимодействуют с окружением, что приводит к образованию дефектов, почти как в кристаллической решетке твердых тел. Исследователи научились регулировать эти взаимодействия между частицами и смогли их визуализировать. Узнав механизмы различных дефектов в обычных кристаллах на молекулярном уровне, можно будет управлять ими и получать материалы с необходимыми свойствами. Результаты работы были поддержаны грантом Российского научного фонда и опубликованы в журнале Physical Review E.

Картинка: распространение тепла в системе с нор...

Картинка: распространение тепла в системе с нормальными и более тяжелыми частицами. Yakovlev et al. / Physical Review E, 2019

Идеальных кристаллов в природе не существует. У них есть нарушения в решетках, разные по происхождению и свойствам. Дефекты в кристаллах — распространенное в природе явление, которое играет важную роль в физической химии, химической физике, материаловедении и других направлениях, так как дефекты влияют на свойства веществ, а во многих случаях и вовсе их определяют. В своей последней работе ученые из МГТУ имени Н.Э. Баумана, Института физики высоких давлений имени Л.Ф. Верещагина РАН и Лондонского университета королевы Марии сконцентрировались на дефектах, вызванных присутствием более тяжелых частиц в кристалле плазмы. Плазма — это четвертое агрегатное состояние вещества (помимо твердого, жидкого и газообразного), представленное заряженным газом и частицами. Плазма подчиняется основным газовым законам и способна проявлять характерные исключительно для нее свойства при помещении в электрическое и магнитное поля. Большая часть Вселенной представлена так называемой пылевой плазмой с крупными заряженными частицами. Пылевая плазма демонстрирует явления, аналогичные тем, что происходят в молекулярных системах: кристаллизация, плавление, распространение звука и пластическая деформация.

Пылевую плазму ученые получали в специальной емкости, заполненной инертным (негорючим) газом. В этой камере также находились два электрода, благодаря которым инертный газ приобретал заряд и получалась плазма. После добавления сферических частиц наблюдалось образование однослойного кристалла плазмы над одним из электродов. С помощью камер, установленных внутри емкости, ученые наблюдали за происходящими процессами, а после анализировали данные методами молекулярной динамики.

«Мы получили однослойный плазменный кристалл с более тяжелыми частицами, обуславливающими появление дефектов. На все частицы в системе действуют электрические силы и сила тяжести, уравновешивающие друг друга. Пыль находится в потоке плазмы и создает в ней плазменные следы, подобные кильватерным при движении кораблей. Они оказывают воздействие на перемещение соседних заряженных микрочастиц в кристалле», — рассказывает руководитель работы Станислав Юрченко, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник МГТУ имени Н.Э. Баумана.

Видео процесса

Оказалось, что из-за этих следов тяжелые частицы более интенсивно взаимодействуют с окружающими их нормальными частицами. Внешне первые выглядят как более «горячие», так как их кинетическая энергия — энергия движения — выше. Изменяя условия эксперимента, можно регулировать взаимодействие между частицами в этой системе и наблюдать ее поведение в режиме реального времени. Подобное молекулам поведение в кристалле, описанное выше, имеет много общего с тепловыми дефектами и двухступенчатыми реакциями с выделением тепла. Тепловые дефекты изменяют обмен энергией между частицами, в результате чего нарушается строение кристаллической решетки. Причем этот процесс происходит в два шага: возникновение «горячей» области вблизи теплового дефекта (аналог промежуточного вещества в двухступенчатой реакции) и полное разрушение всей решетки (аналог конечного продукта). Такие процессы очень распространены в природе, например, дефекты кристаллической решетки различных минералов. Однако их сложно визуализировать на уровне отдельных частиц, поэтому плазменные кристаллы — удобный инструмент для их изучения. Другие варианты исследования слишком сложны в интерпретации результатов. Узнав механизмы различных дефектов в обычных кристаллах на молекулярном уровне, можно будет управлять ими и получать материалы с необходимыми свойствами.