КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 14-43-00053

НазваниеКомплексная (пылевая) плазма: Междисциплинарные исследования

РуководительМорфилл Грегор Юджин, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2014 г. - 2016 г.

Конкурс№4 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-502 - Физика низкотемпературной плазмы

Ключевые словафизика плазмы, комплексная плазма, мягкая материя

Код ГРНТИ29.27.00

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
"Пылевая" или "комплексная" плазма состоит из слабо ионизированного газа и заряженных микрочастиц. Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе – они представлены в планетарных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках, в мезосфере, в грозовых облаках, вблизи искусственных спутников и космических станций и т.д. Больше того, наличие частиц пыли играет критическую роль во многих промышленных процессах (таких, как плазменное осаждение, производство микросхем и травление, плазменный синтез). В комплексной плазме возможно наблюдение переходов от неупорядоченного, похожего на газ, состояния в жидкую фазу и образование упорядоченных структур микрочастиц – плазменных кристаллов. При этом, конкретной формой межчастичного взаимодействия можно управлять при помощи внешних полей. Эти уникальные особенности выделяют комплексную плазму из многих других лабораторных видов плазмы, когда заряд ионов мал и потенциал взаимодействия фиксирован. Комплексная плазма представляет собой плазменное состояния мягкой материи и известна, как яркий пример естественной модельной системы для междисциплинарных исследований: отдельно наблюдаемые микрочастицы играют роль "атомов", что позволяет проводить прямые наблюдения и исследовать ряд фундаментальных процессов, протекающих в классической конденсированной материи, как, например, кристаллизация, возникновение жидкого состояния, фазовых расслоений, стеклообразного состояния и т.п. Взаимодействие между такими "атомами" определено свойствами окружающей их среды и/или внешними управляющими воздействиями. Движение отдельных частиц в сильно коррелированной комплексной плазме протекает практически без затухания, что приводит к прямой аналогии с "обычными" жидкостями и твердыми телами с точки зрения "атомарной" динамики. Два других важных аспекта состоят в том, что парные взаимодействия могут управляться при помощи внешних полей, а также то, что комплексная плазма оптически прозрачна настолько, что тысячи слоев частиц могут быть визуализированы для создания трехмерной картины. В заключении следует отметить, что отдельными частицами можно манипулировать различными путями, что позволяет выполнить активно управляемые эксперименты и исследовать общие процессы, протекающие в жидкостях или твердых телах на самом фундаментальном уровне – уровне отдельных частиц. Используя комплексную плазму, как представительную систему, мы планируем сосредоточить исследования, разрешенные относительно отдельных частиц, на общих явлениях в сильно-взаимодействующих системах. Более конкретные области исследований преставлены четырьмя основными темами • Фазовые переходы в твердых телах • Неравновесные фазовые переходы в управляемых системах • Гидродинамика в дискретном пределе • Анизотропные и "активные" частицы Научная значимость задач в проекте (как это представлено в научных областях) обусловлена: • исследованием равновесных и неравновесных фазовых превращений на кинетическом уровне (уровень отдельных частиц) • исследованием возникновения коллективных эффектов в физике сильно взаимодействующих систем • технологической и прикладной ценностью исследуемых фундаментальных закономерностей. Настоящее исследование будет проведено в координации междисциплинарных усилий между исследователями в области физики мягкой материи, конденсированного состояния и специалистами в области плазменных технологий. Взаимное дополнение исследований, выполняемых в области комплексной плазмы и "обычной" мягкой материи (коллоидные суспензии и гранулярные среды), играют необыкновенно важную роль для более полного понимания "атомистической" физики, лежащей в основе процессов в классических сильно взаимодействующих средах. Объединенные усилия исследователей в различных областях физики мягкой материи приведут к существенному синергетическому эффекту и будут способствовать более глубокому пониманию фундаментальной физики. Более того, различные аспекты комплексной плазмы сами являются междисциплинарными, объединяющими различные области физики в диапазоне – от конденсированного состояния, статистической механики, нелинейной динамики и механики жидкости до химии, плазменных технологий, наук о материалах и прикладной математики. Задачи настоящего проекта обладают существенной научной новизной, которая будет связана как с постановкой проблем, так и с разработанными методами их решения и результатами. Экспериментальные исследования будут проведены на имеющемся в наличии уникальном оборудовании, для моделирования явлений будет использовано оригинальное ПО, а в самом проекте будут гармонично отражены теоретические, экспериментальные и вычислительные подходы.

Ожидаемые результаты
Междисциплинарные исследования комплексной плазмы помимо собственной ценности обладают огромными дополнительными преимуществами: в естественной пылевой плазме пыль играет существенную роль химически (фотодесорбция, распыление, сублимация), электрически (зарядовое обеднение, проводимость, взаимодействие с магнитным полем), а также динамически (радиационное давление, гравитация и газовое трение). Понимание закономерностей, управляющих эти сложными процессами необходимы для развития плазменных технологий, как плазменный синтез, плазменное осаждение, плазменное травление, плазменные двигатели, горение и т.п. Поэтому, результаты фундаментальных исследований оказываются особенно важными для понимания целого ряда процессов, связанных с плазменными приложениями. Ожидаемые результаты будут связаны с решением задач настоящего проекта: I. Фазовые переходы в твердых телах. Исследование микроскопических процессов, определяющих начало гомогенной и гетерогенной кристаллической нуклеации в переохлажденных расплавах. Исследование влияния структуры зародыша и дефектов кристалла на принципиальный характер и кинетику нуклеации. Разработка проблемы перехода нуклеации в рост кристаллов. Разработка теории нуклеации твердых тел вне метастабильной фазы. Определение роли структурного рассогласования между зародышем и исходной фазой. Исследование кристаллизации из стеклообразного состояния. Разработка новых подходов к описанию парных корреляций в кристаллах. Экспериментальное исследование плазменного пылевого кристалла как фотонного кристалла для терагерцового и ИК-излучения. II. Неравновесные фазовые переходы в управляемых системах. Разработка теории лэйнинга, как неравновесного фазового перехода, определение порядка и ключевых управляющих параметров. Разработка теории бэндинга в осциллирующих внешних полях и установление связи между явлениями бэндинга и лэйнинга. Разработка микроскопической теории формирования лэйнов и бэндов. Развитие теории динамического функционала плотности для решения этой задачи. Исследование влияния структуры исходного кристалла на характер явлений лэйннинга и бэндинга. Исследование взаимодействия между потоками частиц и плазменными пылевыми кристаллами. III. Гидродинамика в дискретном пределе. Исследование на кинетическом уровне динамики и структуры поверхности раздела жидкостей и неустойчивости Кельвина-Гельмгольца и Рэлея-Тейлора. Исследование различных конфигураций сдвиговых течений, начала и нелинейного развития неустойчивости и перехода к турбулентности на уровне отдельных частиц. Исследование плоских сдвиговых течений и динамики границы раздела при помощи лазерного манипулирования. Исследование влияния реологии на гидродинамические неустойчивости и выяснение их кинетических причин. Исследование развитого самоорганизованного движения в различных потоковых структурах, индуцированного неравновесными сдвиговыми и температурными полями. Экспериментальное исследование роли дальнодействия межчастичного взаимодействия в общих гидродинамических явлениях. IV. Анизотропные и "активные" частицы . Исследование условий, при которых взаимодействие между стержневидными частицами в комплексной пылевой оказывается существенно короткодействующим. Исследование возможности получения жидких и кристаллических структур (как в коллоидах). Исследование постепенного перехода к (квази-) симметричным взаимодействиям и изучение динамических эффектов (что недоступно в коллоидах) при помощи управления параметром мягкости взаимодействия. Экспериментальное исследование двумерных систем активных частиц, используя неоднородные покрытия или неправильную форму пыли. Уровень ожидаемых результатов будет соответствовать лучшим мировым стандартам научной работы, а в перспективе должен превзойти его. Экспериментальные исследования будут выполнены на уникальном оборудовании, а проект будет сочетать постоянную совместную работу теоретической и экспериментальной подгруппы участников проекта.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---