ミクロスフェアはナノ流体を模倣します

複雑なプラズマには、ナノスコピック液体の物理現象に関する詳細が含まれています

破裂したバブルは常に激しい噴火を引き起こします。 複雑なプラズマでは、物理学者は何が起こるかを詳細に追跡できます。 ©MPI for Exterrestrial Physics /マイケル・クレッチマー
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例外が通常のケースであることが判明する場合があります。たとえば、自然が実際に適用すべきではない法律に従っている場合です。 マックス・プランクの研究者は今、そのようなケースに出会い、ジャーナル「Physical Review Letters」でそれについて報告しています。 物理学者は、液体から知られている現象は、微粒子とイオン化ガスの複雑なプラズマでも発生し、実際に液体用に作られた法則に従うことを発見しました。

これらの流体力学的法則を使用して、科学者は、プラズマ内の液滴、泡、小さな噴水の形成につながる不安定性を説明できます。 つい最近になって、マックス・プランク地球外物理学研究所の他の研究者は、そのようなプラズマにおいて、流体力学の極端な場合、つまり線の形成として理解できる現象を観察しました。 また、反対方向に歩いている人々が鎖で互いに通り過ぎるときに、歩行者ゾーンで発生します。 彼らの観察は、例えばマイクロチップに適合する実験室でのナノスコピックな液体レベルの挙動を理解するのに役立つかもしれません。

雲の中の雨滴

雲の中の雨滴、車のシリンダーの中のガソリンの霧、パイプラインの中の油だけでなく、車の中の無脊椎動物を通り過ぎる空気も流体力学の領域です。 しかし、身体や飛行機の背後の気流が乱流に溶け込むと、失敗します。 また、マイクロチップ上のナノスコピックチャネルを流れる流体は、流体力学の範囲を超えて移動する必要があります。 ナノ液滴の物理的挙動は、液体粒子間の力が支配的な大きな液滴の場合よりも、むしろ界面によって決定されるべきです。

「しかし、時々、流体力学は、それが使用されるべきではない場所に適用されます」と、この仕事に尽力したロバート・ステルリンは言います。 いずれにせよ、マックスプランク地球外物理学研究所の研究者の調査結果は、それ自身を物語っています。

科学者はナノスコピック流体を研究していないが、詳細に研究するのは難しいが、それらはそのような流体、すなわち複雑なプラズマの非常に良いモデルである。 「その中に泡、滴、塊、噴水が観察されました」と実験を行ったミールク・シュワベは言います。「そして、これらは巨視的システムの現象と非常によく比較できることがわかりました。」ナノ流体および流体力学の場合、実際には大量の液体にのみ適用されます。 ディスプレイ

複雑なプラズマの1つのドロップ。 詳細には、マックスプランク地球外物理学研究所の物理学者が微小球が液滴を形成する様子を観察しています-この過程で力が果たす役割はまだ完全には明らかにされていません。 地球外物理学のMPI / Mierk Schwabe

蛍光灯でも燃焼する通常のプラズマのような複雑なプラズマには、正の希ガスイオン、電子、および帯電していないバックグラウンドガスが含まれています。 しかし、プラズマは、微小粒子、つまり数マイクロメートルの小さなプラスチックカップを介して「複雑」になり、物理学者が試験室に注ぐことができます。 これが物理学者の実験で重要なことです。電子は粒子の表面に定着し、実験室を無数に飛びます。 したがって、粒子は非常に負であるため、互いに反発します。 それらは、液体または固体の個々の粒子のように動作します。 ただし、物理学者にとって非常に役立つ違いがあります。水分子とは異なり、微粒子が照らされると、肉眼ではっきりと見えます。 さらに、彼らの動きはカメラで撮影することができます。

そのため、シュワベは、チャンバー内の床と天井の間に特定のガス圧と温度差を設定したときに、浮遊粒子の雲の中で泡が上昇するのを見ることができました。 他の場合では、雲の表面は最初は風の湖の表面のように固まっていたが、最後に一滴が溶けるか小さなフォントになるこぼれた。 そして、これらの水滴でシュワベは、粒子が反対の渦でどのように循環するかを観察しました-水滴のような循環も知られています。

微粒子は互いに反発します

世界では原因なしに何も起こらないので、シュワベと彼女の同僚は、物理学者が乱れと不安定性について話す粒子雲の動きを引き起こす力を求めます。 「これまでは、これについてしか推測できませんでした。おそらく、熱クリープ流によって引き起こされるガス対流が駆動力を使い果たします。」希ガスの原子が忍び寄る冷たい天井から高温の​​床ま​​でのチャンバー壁の低圧。 チャンバーの中央で、それらは天井に戻って微粒子が波打つことができます。

この推進力だけでは、すべての現象を説明することはできません。 「我々の観察のいくつかは、複雑なプラズマが表面張力を持っていることを示しています」とシュワベは言います。 表面張力により、蛇口の重量が大きくなりすぎて折れるまで、蛇口に水滴がかかり続けます。 また、ドロップを丸い形状に引っ張ります。 水分子間の引力が原因です。 複雑なプラズマの微粒子は互いに引き付け合うのではなく、互いに反発します。

歩行者が歩行者区域を歩くと、小さな微粒子でも大きな粒子の雲の中を流れるときに線が形成されます。 ガーチングの物理学者は、このプロセスを数学的に記録しています。 ©MPI for Exterrestrial Physics / RobertSütterlin

複雑なプラズマの表面張力

複雑なプラズマの表面張力の証拠は、他の物理学者によってすでに発見されています。 これまでのところ、彼らは現象を明確に説明することはできません。 「イオン摩擦が表面張力を引き起こす可能性があります」とSchwabe氏は言います。 「しかし、複雑なプラズマの表面張力は15年間議論されてきました。「いくつかの測定値がそれを示し、他の測定値がそれを示しています。」

シュワベが観察した水滴、泡、噴水については、それらを流体力学現象と比較することは明らかでしたが、彼の調査の過程でのみ、彼の観察は同じ流体力学的な不安定性の原子限界を表していることを発見しました(レイリー・テイラー) 、 彼のチームの指示に従って、国際宇宙ステーションのロシアの宇宙飛行士は、直径3.4ミクロンの微粒子の雲を直径9.2ミクロンのより大きな粒子の雲に推進しました。 「まるで歩行者ゾーンの人々が反対方向にお互いを通り過ぎて歩いているようなものです」とSütterlinは言います。

単一ファイル内の微粒子

歩行者があまり混雑していない歩行者区域内を歩きながら、小さな微粒子が大きな粒子の雲の中を一列に流れ、小さな粒子によって列に押し込まれます。 このラインの形成は、歩行者ゾーンからだけでなく、油の上に重ねられ、その密度が高いために指のように油の中に沈む水からも知られています。

しかし、Sütterlinは、この物理的プロセスのダイナミクスに関する十分な明瞭さと洞察を提供していないため、ISSでのプラズマ実験でロシア人の同僚が作成した画像上の線ははっきりと見えます。 したがって、Sütterlinは、粒子がどれだけ正確に連続して並ぶかを数値に含めました。 したがって、この値は順序パラメーターと呼ばれます。

数学的レーダー

秩序パラメータを決定するために、Garchingの物理学者は、各微粒子に一種の数学的レーダーを配置します。 この数学的機器は、粒子のパターン、つまり粒子が線を形成するかどうかを認識します。 この形式では、粒子とその最近傍の距離を使用します。距離は、実験のビデオ画像上の粒子の位置から決定します。 さらに、形式では、粒子をその最近傍に接続する線の間の角度を考慮します。

このツールを使用して、科学者たちはこれまで、ほんの数秒の実験、つまり小さな粒子の雲が大きな粒子の雲をどのように流れるかを分析しました。 分析は、微粒子が雲を離れてからずっと経っても、大きな粒子は線形秩序の兆候を示すことを示しました。 新しく開発された機器を使用して、Garchingの研究者は、残りの映画を調べます。ロシアの宇宙飛行士が実験で撮影したものです-結局、約30分です。

「私たちはすでにいくつかの興味深い現象があることを見てきました」とシュターリンは言いました。 複雑なプラズマのナノ流体と表面張力に関する新しい洞察を提供する現象。

複雑なプラズマでの実験

複雑なプラズマを液体のモデルとして使用するために、Garchingの研究者は重力を中和する必要があります-これにより、分子と比較して巨大な微粒子がプラズマの表面層に引き込まれ、互いに分離されます電場が浮遊し、海底に砂のように堆積します。 これを防ぎ、実験室全体を複雑なプラズマで満たすために、ガーチングの物理学者は国際宇宙ステーションISSで無重力状態で実験の一部を行っています。 または、シュワベがやったように、重力でトリックを補います。

物理学者は、試験室の底部を摂氏95度に加熱しました。 チャンバーの下部と上部の温度差により、熱泳動力が発生し、粒子が無重力状態に保たれます。小さな球の下の粒子は、温度が高いために上にある粒子よりも速く動きます、 したがって、微粒子と衝突すると、より大きな衝撃が微粒子に送信されます。 彼らはそれを押し上げます。 熱泳動力と重力は互いに相殺します。

熱沿面川

プラズマ室の底部と天井の間の大きな温度差も、別の効果を引き起こします:熱沿面です。 これは、チャンバーの垂直壁で低いガス圧で発生し、それに沿って温度差があります。 壁のある点に下から衝突するガス粒子は、上から同じ点に衝突する粒子よりも大きな運動量を伝達します。これは、上部領域と下部領域の熱運動の程度が異なるためです。より低い粒子。 したがって、ラインの下の壁のガスは、低温側に向けられたインパルスを運びます。 しかし、すべての衝動はカウンターパルスを引き起こします。 したがって、ガスは暖かい側に流れて、冷たい側への衝動を補償します。 外壁に沿ったこのガスの流れにより、チャンバーの中央でガスが再び上向きに流れ、微粒子に力がかかります。

ガーチングの研究者がすでにISSでの実験で発見したように、浮遊する粒子雲に空洞を作ります-物理学者はボイドについて語っています。 希ガスは、プラズマへの無線周波数範囲の印加AC電圧によってイオン化されるために形成されます。 放出された電子は、微粒子だけでなく、試験室の壁にも集中します。 そこでチャンバー内で形成される陽イオンを引き付け、チャンバー内の中心から安定したイオン風を吹き上げ、粒子を移動させます-ただし微粒子に作用する電気力が可能になります。

ブレーキとしてのイオン風

正イオンは、複雑なプラズマの表面張力も引き起こす可能性があります。たとえば、負イオンのミクロスフェアのドロップによってすべての側面から引き込まれ、液滴に力を加えることができます。 風船のように、その閉じ込め力は粒子を一緒に保持できます。 水滴を砕いて一緒に保持する表面張力は、水分子間の引力に基づいています。

イオン摩擦は粒子が大きいほど強くなります。 したがって、小さな粒子の雲では、大きな粒子よりも小さな空洞が開きます。 Garching物理学者またはISSの宇宙飛行士は、歩行者ゾーンの状況を模倣するためにこれを使用します。彼らは、空洞が形成される大きな粒子で試験室を満たします。 これにより、チャンバーの端から小さな粒子が流入できるようになります。 微粒子はすぐに非常に負になり、イオン風が停止するまで正電荷が最大になるチャンバーの中心に引き込まれます。 ただし、これは、小さな粒子が大きな粒子の空洞に到達した後にのみ起こります。

(マックスプランク地球外物理研究所、2009年7月9日-DLO)