Самоорганизация на орбите

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.