Экспериментальное и теоретическое изучение самоорганизации и эволюции открытых диссипативных структур в сильнонеидеальной коллоидной плазме

Экспериментальное и теоретическое исследование самоорганизации и эволюции открытых диссипативных структур активных броуновских частиц в газоразрядной плазме с конденсированной дисперсной фазой, в том числе плазме тлеющего разряда постоянного тока, плазме высокочастотного емкостного разряда и электронно-пучковой плазме. Обозначенная научная проблема посвящена одному из актуальных направлений современной физики - самоорганизации и эволюции открытых диссипативных структур. Пространственные структуры из активных частиц широко распространены в природе. Такие системы могут встречаться как, например, в космофизике - протяженных пылегазовых облаках в межзвездном пространстве, так и в живой природе - бактериальные колонии. Системы активных пылевых частиц в газоразрядной плазме являются примером таких структур, однако до настоящего времени остаются практически не неизученной областью. Подобные структуры могут формироваться из различных частиц, отличающихся по форме, составу и обладающими различными свойствами, что позволяет наблюдать широкий спектр эффектов. Попадая в плазму, частицы в результате потока электронов и ионов приобретают заряд, в результате чего электрическая сила компенсирует силу тяжести и наблюдается формирование пылевых облаков, левитирующих в плазме. В рамках настоящего проекта будут изучены плазменно-пылевые системы активных броуновских частиц - частиц способных автономно преобразовывать доступную энергию из окружающей среды (электромагнитную, тепловую и т.д.) в собственное механическое движение. Изменение состояния систем из активных броуновских частиц возможно в результате изменения кинетической температуры частиц в результате внешнего воздействия (лазерного излучения) при неизменных параметрах среды. В настоящее время коллективные процессы в пылевой плазме рассматриваются как одна из форм самоорганизации в открытых системах. Самовозбуждаемые сильно нелинейные локализованные волны в открытых системах описывают в рамках концепции диссипативных солитонов. В то же время, физика диссипативных солитонов в плазме только начинает развиваться. Анализ волновых процессов в рамках концепции активных броуновских частиц позволит развить теорию нелинейных волн в открытых системах. В плазме газовых разрядов могут формироваться структуры: квазиодномерные цепочечные структуры, квазидвумерные (кластеры, протяженные монослои в высокочастотном разряде) и протяженные трехмерные образования. В свою очередь, коллективные свойства таких структур зависят от числа формирующих их частиц. Размерность системы определяет возможность и характер коллективных взаимодействий частиц. В зависимости от числа составляющих объектов, возможно наблюдение различной динамики при импорте энергии в систему. При кратном увеличении масштабности системы можно наблюдать процессы самоорганизации и качественной эволюции самой системы. Фундаментальные исследования самоорганизации в таких системах в последние годы вызывает особенный интерес. При разработке каталитических нано- и микромоторов особенно необходима информация о способах управления их движением, равно как и о влиянии формы и материала поверхности частиц на их коллективное поведение. Кроме того, воздействие со стороны плазмы на частицы может приводить к изменению свойств макрочастиц, в результате чего их поведение в структуре может кардинально меняться: активные броуновские частицы могут приобретать новые динамические свойства, в результате чего в таких структурах можно наблюдаться в том числе динамические фазовые переходы. Так уникальной особенностью газоразрядной (в т.ч. криогенной) плазмы является возможность синтеза и модификации поверхности макрочастиц, в результате более эффективной адсорбции нанокластеров, попадающих из газовой фазы, и доминированию нейтральных частиц над ионами в потоке, приходящем на их поверхность. При этом формирование и синтез нанокластеров конденсированной дисперсной фазы при криогенных температурах возможно практически из любого испаряемого вещества. Свойства таких материалов могут существенно отличаться от свойств материалов полученных традиционными физико-химическими способами.