Что такое низкотемпературная плазма
На кончике иглы не только тромбоциты: преимущества низкотемпературной плазмы
Плазменные технологии для омоложения кожи – это еще одно направление в эстетической медицине, которое расширяет инструментарий врачей.
Плазма – частично или полностью ионизированный газ, образованный нейтральными атомами и заряженными частицами, обладает высокой электрической проводимостью, плазму называют четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.
Энергия, которая требуется на преобразование, зависит от строения внешних электронных оболочек вещества: чем легче атом отдает электрон, тем меньше энергии необходимо затратить на его отрыв. В естественных условиях источником такой энергии является преимущественно нагревание, однако плазму можно получить и иными способами, например, с помощью электрического тока, ускоряющего электроны.
Под действием ультравысокочастотного электрического тока в рукоятке устройства происходит ионизация молекул азота и образуется плазма, которая доставляется к коже бесконтактным способом в виде миллисекундных импульсов (такой бесконтактный способ обработки позволяет коже быстро остывать и исключает риск ожогов от деталей устройства). Плазма играет роль «переносчика» электрической энергии.
Виды плазмы:
Впервые технология плазменной регенерации кожи (ПРК) появилась на рынке в 2006 году, это решение предложила компания Rhytec. В 2010–2011 годах сразу две компании обратили внимание на плазменные технологии: британская Energist Group и израильская Pixel RF, которая реализовала фракционную микроплазменную RF-технологию.
Возможности плазменных методик. Доказательная медицина
Воздействие на эпидермис и дерму
Разогрев тканей протекает равномерно, слой старого поврежденного эпидермиса служит «биологической защитной повязкой», по мере образования нового эпителия старый отшелушивается. Кроме того, это позволяет проводить обработку кожи любых фототипов и сокращает риск побочных эффектов в виде шрамов, инфекций и депигментации. Даже в случае высокоэнергетического воздействия неоэпителизация происходит быстро и обычно завершается в течение 5–7 дней после процедуры.
Сразу после обработки отмечается контракция коллагеновых волокон (в тех областях, где температура нагревания превышала 60 0С) и реакции на тепловой шок, затем происходит постепенное разрушение поврежденных структур и активация неоколлагенеза и неоэластогенеза. Процессы ремоделирования дермы продолжаются как минимум 3 месяца после обработки (Gonzalez et al. 2008).
Американские исследователи оценивали улучшение текстуры кожи, тонуса, уменьшение тонких линий, дисхромии. Для этого они взяли образцы биопсии 2 мм до и после 90 дней лечения. Последующее наблюдение проводилось через 2, 5, 7, 30 и 90 после лечения для мониторинга восстановления, улучшения и любых последующих осложнений.
Гистологическое исследование показало регенеративную активность в эпидермисе и дерме, ремоделирование коллагена (Kilmer et al. 2007).
Еще в одном исследовании восемь добровольцев проходили лечение каждые 3 недели, им было выполнено 3 процедуры, используя параметры от 1,2 до 1,8 Дж. Перед каждой следующей процедурой регистрировались качество эпидермиса, побочные эффекты и эритема. Образцы биопсии кожи были получены у 6 пациентов до лечения и через 90 дней после лечения.
Через три месяца после лечения исследователи обнаружили на 37 % сокращение лицевых морщин, а участники исследования отметили улучшение на 68 % общего внешнего вида кожи.
Гистологическая оценка через 3 месяца после лечения выявила полосу нового коллагена на дермоэпидермальном переходе с менее плотным эластином в дерме. Средняя глубина нового коллагена составляла 72,3 мкм (Bogle et al. 2007).
Potter показал, что плазма уменьшает морщины и линии в среднем на 24 % через 6 месяцев, а постакне уменьшается на 23 % через 6 месяцев.
Ускорение ранозаживления
Низкотемпературная плазма воздействует на галектин-1 и сигнальный путь Smad, которые ответственны за процесс ранозаживления. Ученые из Японии в 2016 году показали, что сразу после начала воздействия на поверхности раны сформировалась мембранная структура, в которой по данным иммуноэлектронной микроскопии, были локализованы галектины. После обработки количество галектинов было увеличено, тогда как при электрокоагуляции они наоборот подавлялись (Akimoto et al 2016).
Активация факторов роста
Южнокорейские исследователи получили интересный эффект индуцирования фактора роста после воздействия низкотемпературной плазмы и повышенную экспрессию ангиогенного фактора роста в фибробластах кожи.
Их данные показали, что жизнеспособность фибробластов снижалась через 6 и 24 часа после обработки плазмой всего лишь на 5 минут, а миграция фибробластов значительно увеличилась через 6 и 24 часа в тестах на заживление, экспрессия цитокинов значительно поменялась, а регуляторные факторы роста индуцировались после воздействия.
Применение плазмы значительно ускорило экспрессию HIF1α, регулятора восходящего потока ангиогенеза (Cui et al. 2017).
Коррекция постакне
Противомикробная активность плазмы была продемонстрирована не только на лабораторных животных, но и в ходе рандомизированных контролируемых исследований на людях: двухминутная обработка ран с помощью холодной аргоновой плазмы показывала значительное уменьшение количества как грамотрицательных, так и грамположительных бактерий в ранах (Isbary et al. 2012).
Американские врачи показали в своем исследовании, что плазма может успешно применяться в коррекции рубцов акне. Они отобрали пациентов с кожей I-III по Фицпатрику и провели им одну процедуру. Оценки показали, что примерно на треть в обработанных областях через 6 месяцев произошли улучшения. Через 4-6 дней большинство пациентов наблюдали вторичную эпителизацию без серьезных побочных эффектов (Gonzalez et al. 2008).
Группа азиатских ученых также провела эксперимент на пациентах с травматическими рубцами.
Им ежемесячно в течение 3 месяцев проводилась процедура плазмы. Почти у половины испытуемых наблюдалось на 50 % улучшение травматических рубцов. Все пациенты переносили лечение с минимальной болью, при этом наблюдалась лишь временная локализованная гиперпигментация у нескольких пациентов, которая разрешилась через 3 месяца (Kono T. et al. 2009).
При сравнении фракционной микроплазменной RF-технологии и фракционного СО2-лазера для устранения рубцов постакне. Одна сторона лица пациентов (всего участвовало 33 человека с III и IV фототипами кожи) обрабатывалась с помощью плазмы, другая – лазером, по 3 процедуры каждого вида. Глубина повреждений в первом случае варьировала в пределах 120–150 мкм, а диаметр составлял 150–180 мкм. Фракционный СО2-лазер формировал повреждения глубиной 300–400 мкм и диаметром 100–120 мкм. Зона термического повреждения вокруг колодца абляции была шире в случае микроплазмы (рис. 1).
Рис. 1. Гистологические изменения сразу после обработки атрофических рубцов постакне с помощью микроплазменной RF-технологии (слева) и фракционного СО2-лазера (справа).
Оба метода существенно и практически равнозначно снизили выраженность рубцов постакне – в случае плазмы (улучшение на 56,4 %) и 59,2 % для СО2-лазера по шкале ЕССА. При этом в ответ на лазерное воздействие у 12 человек (36,4 %) развилась поствоспалительная гиперпигментация, а со стороны микроплазменной обработки таких осложнений зафиксировано не было (Zhang Z, 2013).
Плазму можно использовать на коже любых фототипов, так как ее эффект не зависит от наличия хромофоров в коже. Гиперпигментация, которая может встречаться после процедур, в целом возникает реже, чем, например, при лазерной обработке. Также существенно снижен риск инфицирования и рубцевания.
СО2-лазеры формируют более однородные по глубине и диаметру повреждения, в то время как в случае использования плазмы эти размеры могут варьировать. Кроме того, лазеры обеспечивают более глубокое воздействие, чем плазма. Однако именно более поверхностные эффекты плазменной обработки могут быть одной из причин меньшего риска поствоспалительной гиперпигментации (Li X, 2015).
Плазма зарекомендовала себя как эффективный метод омоложения кожи не только лица, но и тела. Американцы оценили кожу в области шеи, груди и дорсальной поверхности рук – всего 30 участков у 10 пациентов. Клинические оценки текстуры кожи, пигментации, серьезности морщин и побочных эффектов проводились немедленно и через 4, 7, 14, 30 и 90 дней после лечения.
Средние клинические улучшения на 57, 48 и 41 % наблюдались соответственно на груди, руках ишее. Уменьшились глубина морщин, гиперпигментация и повысилась гладкость кожи (Alster, Konda 2007).
Плазменные технологии в аппарате Plasma BT (Seoulin Medicare)
Последние научные достижения в сфере использования плазмы были учтены в аппарате Plasma BT (Seoulin Medicare, Корея), который уже представлен на российском рынке (рис. 2). Этот аппарат работает с высокотемпературной и низкотемпературной плазмой.
Технология получила разрешение US 510 (k) США для коррекции несовершенств тела, поверхностных поражений кожи, актинических кератозов, вирусных папилломатозов и себорейных кератозов, дисхромии, потери упругости кожи и постакне.
Рис. 2. Аппарат Plasma BT (Seoulin Medicare).
Рис. 3. Насадка с наконечником в виде иглы и иглой в специальном фиксаторе.
«Самое главное отличие от плазменных аппаратов других поколений и производителей – это запатентованный наконечник с фиксатором, который обеспечивает нужную дистанцию между кожей и кончиком иглы.
Это самое важное при данном физическом воздействии, так как при изменении расстояния меняется глубина воздействия, и она становится неконтролируемой, в случае с аппаратом PlasmaBT такая ситуация исключается».
Лоран Мария Сергеевна, врач-дерматовенеролог, врач-косметолог, клиника «Вирсавия»
В комплекте с аппаратом есть насадка «плазменный душ», улучшающая трансдермальную доставку веществ в кожу (например, гиалуронидазу), а также игольчатая насадка для нехирургического лифтинга, которая позволяет существенно уплотнить кожу в периорбитальной области, сократив площадь кожных лоскутов в области верхних и нижних век, и улучшить плотность кожи за счет синтеза коллагена и эластина (рис. 3). Также насадка показывает отличные результаты в лечении стрий и рубцов, в том числе постугревых, а также глубоких морщин.
Работа прибора основывается на применении технологии F-DBD (плавающий диэлектрический барьерный разряд), защищенной четырьмя патентами, где используется естественный способ получения плазмы (из кислорода и азота, содержащихся в воздухе) на основе переменного тока, создавая низкотемпературную плазму (температура не превышает 40 °C).
Возможности аппарата позволяют использовать его в безынъекционной мезотерапии.
Так, доктор Беатрис Молина в 2017 году описала случай нарушения кровообращения при нехирургической ринопластике после введения филлера на основе гиалуроновой кислоты в кончик носа, который удалось устранить при помощи трансдермального введения гиалуронидазы с помощью насадки для плазменного душа (Molina 2017) (рис. 4).
Кроме того, аппарат позволяет убирать избытки кожи в складках век, появляющиеся с возрастом. В основе процедуры лежит метод сублимации – перехода вещества из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое. Данный метод отличается от абляционных лазеров, более деликатно воздействуя на кожу век, так как он не оказывает повреждающего действия на клетки кожи, а только сублимирует поверхность кожи, что приводит к ее сокращению за счет создания множества абляционных кратеров в виде сетки (или решетки) на поверхности кожи век.
Рис. 5. Повреждения, генерируемые с помощью различных режимов насадки Plasma Surgical Plasma BT. Для каждого режима возможно изменить энергию, а следовательно – глубину и площадь воздействия.
Низкотемпературная плазма
Рис. 1. Низкотемпературная плазма в природе.
Общие свойства низкотемпературной плазмы
Рис. 2. Параметры лабораторной низкотемпературной плазмы.
Стационарная и нестационарная низкотемпературная плазма
Стационарная низкотемпературная плазма обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) низкотемпературная плазма живёт огранич. время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внеш. условиями. Плазма, время жизни к-рой превышает характерное время переходных процессов, наз. квазистационарной. Напр., плазма в канале молнии образуется и поддерживается в результате прохождения через него электрич. тока. Характерное время установления равновесия в проводящем канале
Равновесная и неравновесная низкотемпературная плазма
Низкотемпературная плазма наз. равновесной, если её компоненты находятся в термодинамич. равновесии, т. е. температура электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. В низкотемпературной плазме легко создаются неравновесные условия в результате селективного действия внеш. электрич. полей: электрич. энергия от них передаётся заряж. частицам, а те отдают её частицам газа при столкновениях. При таком способе введения энергии ср. энергия заряж. частиц может значительно отличаться от тепловой энергии нейтральных частиц. В первую очередь это относится к электронам, к-рые из-за малой массы неэффективно обмениваются энергией при упругом столкновении с нейтральными частицами газа. При этом не только ср. энергия электронов, но и вид распределения электронов по энергиям может существенно отличаться от равновесного.
Равновесная плазма обычно реализуется в газе при высоком давлении, где столкновения частиц происходят часто и скорость установления равновесия относительно велика. Примерами такой плазмы являются плазма дугового разряда при атм. давлении, плазма искрового разряда или молнии в атмосфере.
Характерным примером неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда или плазма дугового разряда низкого давления; напр., в плазме гелий-неонового лазера при давлении газа
10 тор теми-pa газа в центре разрядной трубки 
тогда как ср. энергия электронов неск. эВ (рис. 3).
Идеальная и неидеальная плазма
Плазма считается идеальной, если ср. кииетич. энергия заряж. частиц (3/2)kТ много больше ср. энергии её взаимодействия с окружающими частицами:
Числовой коэф. С в этом соотношении равен 9/32
, если пользоваться первым условием, и 1/96 
для второго условия. Такое различие делает границу между идеальной и неидеальной плазмой весьма размытой, а это означает, что в промежуточной области параметров неидеальность плазмы может существенно влиять на одни её свойства и не сказываться на других.
Неидеальная плазма с чисто кулоновским взаимодействием между частицами (полностью ионизованная) реально не существует. В такой плазме с большой скоростью происходит рекомбинация ионов и электронов с характерными временами значительно меньше атомных. За такие времена плотность заряж. частиц существенно падает, а их темп-pa повышается и плазма перестаёт быть неидеальной. Неидеальная плазма существует в многокомпонентной системе, где возникают дополнит. условия стабилизации плазмы. Типичным примером неидеальной плазмы является плазма металла, к-рая сохраняется неидеальной за счёт сил взаимодействия с участием ионов решётки металла. Т. о., неидеальная плазма существует при плотности частиц, сравнимой с плотностью конденсированного состояния вещества. Слабоионизованный газ всегда является идеальной плазмой.
Низкотемпературную плазму можно также разделять на типы по способам её получения или использования: газоразрядная, пучковая, фоторезонансная, лазерная, ионосферная, солнечная, космич. плазма.
Способы создания низкотемпературной плазмы
Процессы в низкотемпературной плазме
Элементарные процессы в низкотемпературной плазме
>Неустойчивости и структуры низкотемпературной плазмы
Применение низкотемпературной плазмы
Низкотемпературная плазма земной атмосферы и Солнца
Низкотемпературная плазма присутствует в окружающей нас природе. На небольших высотах плазма может возникать под действием электрич. полей, существующих в атмосфере. В результате конвективных течений в атмосфере происходит разделение заряда и возникают электрич. поле со ср. напряжённостью у поверхности Земли
100 В/м, а также электрич. токи.
Одно из проявлений разделения заряда в атмосфере связано с возникновением молний. В момент прохождения осн. тока молнии её канал представляет типичную низкотемпературную плазму, напоминающую плазму дуги высокого давления и плазмотронов. Темп-pa плазмы в канале молнии достигает 30 000 К, плотность заряж. частиц
1000 км, из к-рого испускается осн. часть электромагн. излучения Солнца, наз. фотосферой. Плотность атомарного водорода в фотосфере
10 6 К). Поэтому солнечная корона испускает жёсткое (рентгеновское) излучение. Кроме того, она является источником солнечного ветра.
Что такое низкотемпературная плазма
Мы привыкли считать, что самое интересное в плане инноваций происходит в области IT: искусственный интеллект, блокчейн, самонаводящиеся роботы, умные пылесосы и соковыжималки. На самом деле, химия также не перестает удивлять, и не только в вопросе поиска новых вкусов для газировки. Химические технологии переворачивают обыденный мир вещей здесь и сейчас.
Сегодня мы поговорим об одном из таких направлений — технологиях холодной или низкотемпературной плазмы, которые используются для решения большого числа прикладных задач от производства стерильной пищевой упаковки до активации печатных плат перед нанесением покрытий в микроэлектронике. Пытливые умы найдут в нашем материале массу полезных идей для организации стартапов.
Как отдельному направлению физической химии плазмохимии уже более 200 лет. В промышленности плазменная технология начала использоваться в конце XIX века, когда компания Siemens применила ее для производства отдельных видов металлов. Широкое промышленное использование было связано с развитием микроэлектроники, когда стало ясно, что получение полупроводниковых структур субмикронных размеров невозможно без плазмохимических процессов. До недавнего времени холодная плазма активно использовалась для стерилизации чувствительных материалов.
По сравнению с традиционными плазменные процессы не требуют применения каких-либо жидких растворов и являются потенциально экологически чистыми, а также существенно менее энергоемкими.
Спектр практического использования холодной плазмы чрезвычайно широк:
1. Пищевая промышленность и сельское хозяйство:
В последнее десятилетие вышли десятки научных работ, описывающих эффект использования технологии холодной плазмы в пищевом производстве для мягкой и экологически безопасной стерилизации поверхностей скоропортящихся товаров: мяса, рыбы, фруктов и овощей.
Низкотемпературная плазма – отличная альтернатива традиционным методам термической иди химической обработки продуктов, поскольку оказывает минимальное воздействие на их физические, химические и питательные свойства. Другими словами, не портит их внешний вид, вкусовые качества, позволяет существенно увеличивать срок хранения.
Технология применяется в пищевой промышленности для обеззараживания продуктов, дезактивации вредных ферментов, выведения токсинов, улучшения свойств пищевой упаковки, оптимизации расходов воды.
Использование низкотемпературной плазмы дает широкие возможности для высокоинтенсивной обработки большого круга материалов, в том числе, легкоплавких. Это позволяет использовать ее для обработки пластиковых и композитных поверхностей с целью повышения адгезии наносимых на них лаков, красок, чернил и для увеличения прочности клееных соединений благодаря существенному повышению свободной энергии поверхности обработанных плазмой материалов.
В лаборатории ООО «Плазматика» было исследовано влияние обработки плазмой поверхности изделий из полипропилена, ПЭТ, ПВХ, АБС на адгезию наносимых на них красок и клея. Результаты демонстрируют устойчивое увеличение адгезионной прочности покрытий на 30-40% по сравнению с необработанными плазмой образцами.
Возможность использования источников низкотемпературной плазмы при комнатной температуре и атмосферном давлении открывает широкие перспективы по внедрению технологических процессов с ее использованием практически в любые производственные линии без существенных дополнительных затрат.
В ООО «Плазматика» успешно проведены испытания по увеличению смачиваемости тканей полярными, неполярными, органическими, неорганическими жидкостями с целью ускорения окрашиваемости красками на водной и масляной основе.
Важное свойство низкотемпературной плазмы, связанное с ее неравновесностью, состоит в том, что температура электронов, как правило, существенно превышает температуру ионов. Взаимодействие их с рабочим газом и обрабатываемыми поверхностями ведет к повлению возбужденных состояний атомов и молекул, свободных радикалов, ионов и дополнительных электронов за счет ионизации. В результате все эти производные активно окисляют и разлагают «молекулы запахов».
Исследования подтвердили эффективность использования плазмы для существенного ослабления или устранения запахов. На основе этих работ был разработан прототип прибора, генерирующего озон и окислы азота из атмосферного воздуха в плазме барьерного разряда, который успешно устраняет запахи табака в воздухе и на одежде, пота на одежде и обуви, рыбы и лука на кухонных принадлежностях, мочи домашних животных.
При воздействии плазмы на растительные клетки возможно как повышение гидрофильности поверхности и пор, так и непосредственное повреждение клеточных мембран за счет интенсивного электрохимического воздействия разряда. Это может приводить к существенному облегчению процесса экстракции полезных компонентов из растительного сырья.
В ООО «Плазматика» проведен ряд работ по изучению влияния плазменной обработки на экстрактивность сухого растительного сырья: зверобоя, корня солодки, гриба чага, корня лопуха, чая, табака и др. Установлено, что обработка растительного сырья плазмой атмосферного давления приводит к увеличению скорости и степени экстракции водорастворимых компонентов. Это позволяет, в том числе, снизить температуру процесса экстракции и сохранить большее количество полезных веществ в готовом продукте.
Особый интерес представляет применение холодной плазмы в медицине. Применение плазмы одноэлектродного барьерного разряда позволяет непосредственно обрабатывать ей поверхность живых тканей, так как почти полностью отсутствуют существенный разогрев поверхности и болевые ощущения.
В сотрудничестве с компанией «Ветплазма» на базе ветеринарной клиники ЦВУ «ИнноВет», г. Томск, проведено несколько курсов лечения животных с различными заболеваниями (гнойные раны, послеоперационные швы, дерматиты, микоспория). Результаты показали существенное сокращение сроков лечения (до двух раз), что, в том числе, позволяет снизить стоимость лечения за счет сокращения сроков приема лекарственных препаратов, часто дорогостоящих.
Помимо всех вышеперечисленных направлений использований низкотемпературной плазмы, технология хорошо зарекомендовала себя в области конверсии газообразных и жидких углеводородов в ценные компоненты (например, оксигенаты) для повышения октанового числа углеводородного топлива.
Что такое низкотемпературная плазма
Плазма – самое распространенное состояние вещества в природе: по оценкам, в этом состоянии находится примерно 95 % обычной материи во Вселенной. Звезды – это сгустки плазмы, ионизованного газа с температурой в десятки и сотни миллионов градусов. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна.
Данной исследовательской работой я занялся, потому что меня заинтересовало еще малоизученное в современном мире четвертое состояние вещества – плазма. Увлекло явление, обнаруженное недавно в низкотемпературной плазме, – образование «плазменного кристалла», то есть пространственно-упорядоченной структуры из мелкодисперсных частиц – плазменной пыли.
Цель моего исследования: получение низкотемпературной плазмы путем эксперимента, знакомство с плазменно-полевыми кристаллами.
Задачи исследования:
1. Расширить знания о «плазме».
2. Получить низкотемпературную плазму в домашних условиях.
3. Узнать сферы применения плазмы.
4. Провести анализ, полученных сведений из различных источников и экспериментальных данных.
Актуальность данной работы в том, что в последнее время физика плазмы – активно развивающаяся область науки, в которой по сей день совершаются удивительные открытия, наблюдаются необычные явления, требующие понимания и объяснения. Открытия в этой сфере позволят улучшить качество жизни человека: организовать переработку отходов; производство альтернативной энергии; производство микросхем; увеличение прочности металлов; изобретение новых плазменных двигателей; победить вредные микробы; улучшить качество цветных изображений в плазменных панелях; объяснить эволюцию Вселенной и т.д.
Работа с источниками информации
История открытия плазмы
Четвертое состояние материи было открыто У. Круксом (рис. 1) в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром (рис. 2) в 1928 году возможно из-за ассоциаций с четвертым состоянием вещества (плазмы) с плазмой крови.
И. Ленгмюр писал: «Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит электроны и ионы практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», что бы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов». [1].
Плазма – частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми.
Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы.
Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной. Плазма подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества (рис. 3).
Рис. 3. Четвёртое состояние вещества
Что такое пылевая плазма?
Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий пылинки – частицы твердого вещества. Такая плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках (рис. 4). Она обнаружена вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием, а также в плазменных реакторах, дугах, разрядах.
Рис. 4. Плазменный хвост кометы
В лабораторных условиях пылевую плазму впервые получил американец Ирвинг Лэнгмюр еще в 20-х годах прошлого века. Однако активно изучать ее начали лишь в последнее десятилетие. Повышенный интерес к свойствам пылевой плазмы возник с развитием технологий плазменного напыления (рис. 5) и травления в микроэлектронике (рис.6), а также производства тонких пленок (рис. 7) и наночастиц (рис. 8).
Рис. 5. Плазменное напыление
Рис.6. Травление платины в водороде
Рис. 7. Тонкая полупроводниковая пленка
Размеры пылевых частиц относительно велики – от долей микрона до нескольких десятков, иногда сотен микрон (рис. 9). Их заряд может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию (рис. 10). Получается плазма, которую называют сильно неидеальной, поскольку ее поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).
Рис. 9. Плазменный кристалл
Рис. 10. Кулоновское взаимод
Теоретические расчеты равновесных свойств пылевой плазмы показывают, что при некоторых условиях сильное электростатическое взаимодействие «берет верх» над низкой тепловой энергией и заставляет заряженные частицы выстраиваться в пространстве определенным образом. Образуется упорядоченная структура, которая получила название кулоновского или плазменного кристалла. Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твердом теле (рис. 11). Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.
Рис. 11. Плазменный кристалл
Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооруженным глазом.
Получение низкотемпературной плазмы в домашних условиях
После некоторых исследований, свойств и характеристик плазмы, я смог провести опыт получения в домашних условиях низкотемпературной плазмы (Видео «Получение плазмы»). Для этого мне понадобилось следующее оборудование: СВЧ печь, вод ветроустойчивые спичка, стеклянная банка.
Рис. 12. Подготовительный этап
Ход проведения опыта:
1. С начала я вынул из СВЧ печи стеклянное блюдо, на котором вращаются продукты при разогреве. Подготовил спичку (рис. 12).
2. Затем на центр Микроволновой печи я вставил спичку и зажег ее.
3. После этого я накрыл спичку стеклянной банкой, потом закрыл СВЧ печь, включил ее, установив функцию нагрева продуктов (рис. 13).
4. После некоторого количества времени можно увидеть, как в стеклянной банке с зажженной спичкой образовывается плазма (рис. 14).
Рис. 13. Спичка под стеклянной банкой в СВЧ печи
Рис. 14. Низкотемпературная плазма
Благодаря этому простому опыту можно увидеть, как ионизируется газ под действием температуры и тем самым получается частично ионизированная плазма. Если мне удалось так просто получить низкотемпературную плазму, значит её можно получить на предприятиях, при этом затраты на её получение минимальны.
Заключения
Мне удалось получить низкотемпературную плазму в домашних условиях. Я расширил свои знания по данному вопросу, узнал много нового и интересного. Меня очень заинтересовала эта тема и уверен, что когда я буду выбирать профессию эта исследовательская работа оставит свой отпечаток.
«Хаотичная» плазма-это 5-е состояние вещества. Кристаллическая плазма-это состояние «организованной» плазмы, где ее не надо удерживать магнитным полем. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна.
Я считаю, что плазма – это символ будущего, важнейшая отрасль, без которой немыслимо дальнейшее развитие цивилизации. Плазма, на мой взгляд, альтернативный источник энергии и доктор экологии.