Министерство Энергетики

Ученые впервые доказали, что кроме твердого, жидкого, газообразного состояния и плазмы в природе есть пятое состояние – промежуточное между кристаллом и жидкостью

Физики Объединенного института высоких температур РАН и МФТИ провели эксперимент, доказавший наличие промежуточной фазы между кристаллическим и жидким состоянием твердых веществ в плоской плазменно-пылевой системе.

Общеизвестными являются четыре формы веществ — жидкая, твердая, газообразная и плазма. Считалось, что большинство твердых тел при нагревании становятся жидкими. Однако несколько десятков лет назад два физика Майкл Костерлиц, Дункан Холдейн  и Дэвид Таулесс выдвинули теорию, согласно которой кристаллы перед превращением в жидкость проходят особую фазу — гексатическую. 

В 2016 году за эту теорию они получили Нобелевскую премию, но практического подтверждения до сих пор не было.

В ходе эксперимента российские ученые создали специальную установку и заполнили ее аргоновой плазмой. Внутрь запускали сферические микрочастицы из полистирола, покрытые тонкой пленкой из никеля. Эти микрочастицы при нагревании или охлаждении двигаются так же, как и кристаллы. Затем эти частицы подверглись облучению лазером.

«Пыльная плазма представляет собой систему нейтральных атомов, электронов, ионов и заряженных частиц микронного размера. Пыльная плазма в природе распространена повсеместна: в космосе, в атмосфере планет. А также часто встречается в различных технологических процессах, например, при производстве полупроводниковой электроники. Эксперименты ОИВТ РАН по синтезу пылевых систем представляют интерес, главным образом, из-за их качественного различия в переходе «твердое тело — жидкость».

Согласно теории Березинского-Костерлица-Таулеса, переход -системы из кристаллического в жидкое состояние носит двухстадийный характер с образованием промежуточного звена, так называемой гексатической фазы, что было успешно экспериментально подтверждено учеными ОИВТ», — пояснил журналу «Энергетическая политика» заведующий лабораторией распределенной генерации ОИВТ РАН, доктор наук Виктор Зайченко.

Данное открытие имеет большое практическое значение и требует дальнейшего изучения.«Двумерные материалы обладают новыми физическими свойствами и особенностями, которые могут быть востребованы и найти свое применение в различных технологических процессах. К примеру, мы еще со школы знаем, что когда кристалл плавится, то получается жидкость.

Но в двумерных системах все по-другому: после кристалла может быть еще одна фаза – гексатика, и только потом жидкость. Двумерные материалы выглядят многообещающими и для различных электрофизических и энергетических приложений: для изготовления электродов, аккумуляторов высокой емкости, для технологий преобразования световой энергии в электрическую, созданию защитных экранов и др», — отметила в свою очередь научный сотрудник лаборатории диагностики пылевой плазмы ОИВТ РАН и лаборатории физики активных сред и систем МФТИ Елена Васильева.

По ее словам, иностранные коллеги также пытались экспериментальным путем доказать наличие гексатической фазы в твердых телах, однако это эти эксперемент были менее удачными.

«Данная работа оказалась успешной благодаря большому числу факторов, которые успешно сложились воедино. Это и уникальный объект исследований – коллоидная плазма, и методика воздействия на систему и подходы к дизайну эксперимента. Исследование коллоидной (пылевой) плазмы ведется в нашей лаборатории уже более 25 лет. Кроме того, в качестве методики воздействия на пылевую структуру было предложено использовать лазер и частицы с металлическим покрытием, способные поглощать лазерное излучение.

Таким образом, прецизионно меняя мощность лазерного излучения – мы изменили энергию «закачиваемую» в систему и ее фазовое состояние без изменений параметров окружающей плазмы. Наши коллеги за рубежом, тоже пытались пронаблюдать двустадийный переход в подобной системе, но их подход не позволил сделать этого. Состояние системы они пытались изменять, путем изменения параметров плазмы и действительно пронаблюдали два состояния кристалл и жидкость, но «проскочили» гексатику. Дело в том, что изменяя параметры плазмы, они кардинально меняли всё в этой сложносогласованной системе: концентрацию электронов и ионов, плотность нейтралов и диссипацию, заряд на частицах, их взаимодействие и т.д. Отсюда и результат», — резюмировала ученный.