Объединенный институт высоких температур РАН, РКК
«Энергия», МФТИ и компания — национальный чемпион «Лазерные системы» заключили
четырехстороннее соглашение о создании научно-исследовательской лаборатории
активных дисперсных сред в условиях микрогравитации на борту МКС
Лаборатория
создается на базе отдела пылевой плазмы Объединенного института высоких
температур (ОИВТ) РАН и лаборатории физики активных сред и систем МФТИ. Работы
в лаборатории включены в долгосрочную программу работ на МКС.
Научные исследования будут проводиться по актуальным и
перспективным направлениям в области физики активной материи при широком
участии студентов, аспирантов, докторантов, преподавателей и научных
сотрудников организаций — участников соглашения. В частности, студенты МФТИ
смогут обрабатывать экспериментальные данные, которые будут получены непосредственно
на МКС, а также в лаборатории активных сред и систем МФТИ и в лаборатории
активных кулоновских систем ОИВТ.
«Создание лаборатории на Международной космической
станции — это возможность проведения полномасштабных исследований и
экспериментов в области физики активной материи, а также предпосылки для
формирования новых, в том числе международных научных связей, — отметил
директор ОИВТ РАН Олег Петров. — В работе лаборатории будут активно
участвовать студенты МФТИ, что позволит использовать в образовательном процессе
уникальную экспериментальную базу и результаты исследований».
По словам Олега Петрова, научного руководителя новой
лаборатории, исследовательский комплекс будет включать в себя летную
космическую лабораторию, наземную лабораторию и экспертную группу. Экспериментальной
базой летной космической лаборатории станет научная аппаратура, разрабатываемая
в рамках реализации космических экспериментов «Кулон-магнит», «Кулон-плазма»,
«Пыль-УФ», «Дисперсия» и др. и размещаемая на исследовательских модулях
российского сегмента МКС. Наземная лаборатория уже сегодня формируется из
наземных аналогов бортовой аппаратуры и имеющихся в наличии исследовательских
стендов для изучения активных дисперсных сред.
«Компания “Лазерные системы” в рамках развития первой комплексной
научной лаборатории займется созданием научной аппаратуры для проведения экспериментов
в условиях космоса, а также полным сопровождением и обеспечением бесперебойной
работы научной аппаратуры на Земле и на МКС», — рассказал «Стимулу» директор по
НИОКР АО «Лазерные системы» Александр Михайленко.
ЧАСТИЦЫ С АКТИВНОЙ ЖИЗНЕННОЙ ПОЗИЦИЕЙ
Лаборатория будет заниматься реализацией космических
экспериментов в области активных кулоновских систем, в том числе изучать
динамику процессов самоорганизации активных броуновских частиц в плазме газовых
разрядов и в коллоидных системах в условиях микрогравитации. Размещение
лаборатории на МКС позволит ученым сопоставлять экспериментальные данные,
полученные в реальных условиях микрогравитации, с теоретическими моделями и
результатами численного моделирования.
О том, почему такое значение придается этим исследованиям,
«Стимулу» рассказали в ОИВТ РАН: «В настоящее время существует большое
количество работ, посвященных изучению процессов, происходящих в замкнутых системах:
фазовых переходов, термодинамики, процессов переноса. Между тем подавляющее
большинство объектов в природе являются открытыми системами (системами, которые
обмениваются веществом и энергией с окружающей средой). Это делает их более
сложными для изучения. Термодинамика систем вдали от равновесия (диссипативных
структур) — активно развивающаяся область науки. Одно из самых интересных и
практически значимых свойств открытых диссипативных систем — их способность к
самоорганизации, то есть возможность при переходе некоторого параметра через
пороговое (критическое) значение совершать качественный скачок, так называемый
кинетический фазовый переход».
По словам специалистов института, в качестве отдельного
класса открытых систем можно выделить системы активных броуновских частиц, то
есть частиц, способных преобразовывать энергию, получаемую извне, в собственную
кинетическую энергию движения. Примеры естественных активных броуновских частиц
— подвижные клетки и многоклеточные живые организмы.
«Диапазон искусственных активных частиц широк; в основном
это системы коллоидов с химически активной поверхностью. Перспективно также
изучение активных наночастиц. Исследование самоорганизации в системах активных
частиц в последние годы вызывает особенный интерес. К примеру, изучение
фазового перехода в квазидвумерной плазменно-пылевой структуре при кинетическом
лазерном разогреве», — пояснили в пресс-службе ОИВТ РАН.
С помощью активных частиц можно описывать движение
большого количества объектов, начиная с бактерий и заканчивая стаями птиц и
косяками рыб, которые также являются открытыми системами.
«С точки зрения
физики это интересно тем, что мы получаем модель, позволяющую описывать живой
объект, который для физика является неравновесным. Пример такого объекта —
активная частица, которая может быть стационарной и при этом далекой от состояния
равновесия», — рассказал Олег Петров
Активными средами и системами занимаются ученые во многих
исследовательских центрах мира. С точки зрения физики активные частицы отличаются
тем, что их движение хаотично, однако на некоторых участках становится
направленным. В рамках лаборатории станет возможным объединить работы с
активными средами в плазме и в коллоидных системах в условиях микрогравитации.
Например, исследование топологических дефектов, в том числе их
пространственного и временного поведения, позволит глубже понять фундаментальные
механизмы, регулирующие динамику активной материи. Работа с такими системами
позволит создать новые возможности в сфере материаловедения, например возможность
создавать частицы с уникальными свойствами для формирования новых материалов, в
том числе путем «самосборки» (самоорганизации). Такие частицы при создании
специальных условий формируют элементы и объекты, которые в будущем можно использовать
в промышленности – причем речь идет о формировании не только материалов, но и
элементов с заданными свойствами — механическими, оптическими, электрофизическими,
сорбционными и другими.
«Когда мы говорим о практических результатах изучения
активных частиц, то под “активностью” подразумеваем возможность контролировать
движение этих частиц и управлять им, — отмечает Олег Петров. — В терминах
физики мы говорим об использовании и преобразовании энергии из внешнего источника
в энергию движения: если мы управляем этим механизмом, то тем самым управляем
движением частиц и можем заставить их двигаться направленно, например по сосудам,
используя магнитное поле либо частицы с магнитными свойствами. Кроме того,
активные жидкие кристаллы могут представлять интерес с точки зрения их
применения в качестве мягких адаптивных материалов, реагирующих на воздействие
различных физических и химических факторов. Многие биологические жидкости
нередко обладают жидкокристаллическим порядком, характерным для активных сред».
ВСЕ ДЕЛО В МИКРОГРАВИТАЦИИ
Следует отметить, что экспериментального изучения
активных броуновских частиц в условиях микрогравитации до сих пор практически
не проводилось. «При проведении экспериментов с активными кулоновскими системами
в условиях наземных лабораторий необходимо принимать во внимание влияние
значительной силы гравитации, действующей на дисперсные макрочастицы, —
пояснили в ОИВТ РАН. — В условиях микрогравитации у нас появляется уникальная
возможность создавать однородные структуры и исследовать, как внесение внешнего
возмущения влияет на формирование анизотропии в такой системе. Анизотропия
активных кулоновских систем может зависеть от того, как прилагалось внешнее
напряжение, это влияет на подвижность активных броуновских макрочастиц. При
этом в условиях микрогравитации размеры активных частиц в газовых средах и жидкостях
могут быть на порядки больше, чем на Земле, и составлять десятки и сотни
микрометров».
Условия микрогравитации, существующие на российском
сегменте МКС, имеют большое значение при выполнении точных исследований фазовых
переходов в системах активных броуновских частиц, примерами которых являются
жидкие кристаллы — сильно структурированные анизотропные среды с локальным
упорядочением макрочастиц. Фазовые переходы в таких системах могут играть важную
роль в пространственно-временной организации, и их изучение может использоваться
для управления свойствами таких систем. Эксперименты с ними, направленные на
изучение фазовых переходов, требуют особой точности и возможности регулирования
параметров систем. Эти цели будут достигнуты при исследовании в условиях
микрогравитации на борту РС МКС.