Четвертое состояние материи: что такое плазма простыми словами и как ее «приручили» инженеры

Мы с детства знаем, что вещество бывает в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Лед, вода и пар — классический пример. Но древние греки, рассуждая о стихиях, выделяли четыре «начала»: землю, воду, воздух и огонь. Как показало развитие физики, интуиция древних не подвела. Огонь, а также молнии и сияние звезд — это проявления четвертого состояния вещества, которое называется «плазма».

Кажется, что это что-то экзотическое, доступное только физикам в лабораториях или астрономам, изучающим далекие звезды. Но на самом деле мы сталкиваемся с плазмой гораздо чаще, чем думаем. Более того, инженеры научились не только создавать ее в лабораториях, но и заставлять служить человеку в самых разных сферах — от производства микросхем до упрочнения деталей буровых установок.

Что же такое плазма?

Если мы будем нагревать газ, его молекулы и атомы начнут двигаться быстрее. При температурах в несколько тысяч градусов начинают происходить качественные изменения: самые быстрые атомы при столкновениях теряют свои электроны. Атом превращается в положительно заряженный «ион», а электрон становится свободным. Процесс называется «ионизацией».

Как только количество ионизированных частиц становится значительным, газ перестает быть просто газом и приобретает новые свойства. Плазма — это ионизированный газ, состоящий из смеси нейтральных атомов, положительных ионов и свободных электронов. Ключевое свойство плазмы, которое отличает ее от обычного газа, — «квазинейтральность» и коллективное поведение. Это означает, что в целом плазма электрически нейтральна (число положительных и отрицательных зарядов примерно равно), но, если в каком-то месте возникает избыток заряда, туда мгновенно устремляются частицы противоположного знака, восстанавливая равновесие.

Благодаря наличию свободных заряженных частиц, плазма отлично проводит электричество и сильно взаимодействует с магнитными и электрическими полями.

Как люди догадались о существовании четвертого состояния?

Путь к пониманию плазмы был долгим и полным заблуждений. Еще в 1819 году великий Майкл Фарадей предположил, что вещество может находиться в «лучистом состоянии». Однако экспериментально к этой идее подошел английский химик Уильям Крукс в 1879 году. Изучая катодные лучи в вакуумных трубках, он пришел к выводу, что имеет дело не с обычным газом, а с чем-то принципиально иным, и назвал это «лучистой материей».

Но настоящий прорыв совершил американский физик и химик Ирвинг Ленгмюр. В 1920-х годах, работая в компании General Electric, он вплотную занялся исследованием газовых разрядов. Именно Ленгмюр в 1928 году ввел термин «плазма», позаимствовав его из биологии (так называется жидкая основа крови). Ему показалось, что поведение ионизированного газа в электрическом поле напоминает движение кровяных телец в плазме крови. Так этот термин прижился в физике.

Плазма бывает разной: горячая и холодная

Одно из самых удивительных свойств плазмы — она может быть одновременно и «горячей», и «холодной». Здесь нужно разделять понятия температуры электронов и температуры ионов.

Высокотемпературная (изотермическая) плазма. В ней температура всех частиц (электронов, ионов и нейтральных атомов) одинакова и достигает миллионов градусов. Такую плазму мы видим на Солнце и в звездах. На Земле ее создают в экспериментальных термоядерных реакторах (токамаках), пытаясь обуздать энергию, подобную звездной.

Низкотемпературная (неизотермическая) плазма. Это настоящая "рабочая лошадка" промышленности. В ней температура электронов может достигать десятков тысяч градусов, что достаточно для ионизации и свечения газа, а вот ионы и нейтральные атомы остаются почти холодными. Классический пример — лампа дневного света. Вы можете дотронуться до работающей лампы — она холодная, хотя газ внутри светится, то есть находится в состоянии плазмы. Именно этот тип плазмы люди научились использовать в большинстве технологий.

Как инженеры «приручили» плазму?

Способность плазмы изменять свойства поверхностей материалов, не воздействуя на их объем, открыла перед инженерами широчайшие возможности. Вместо того чтобы использовать кислоты, нагрев или механическую обработку, можно просто «обстрелять» поверхность заряженными частицами.

Вот лишь несколько примеров того, как плазма служит человеку в промышленности:

1. Упрочнение металлов. Ученые "Росатома" недавно создали установки, которые обрабатывают промышленные изделия импульсными потоками плазмы. Например, буровые долота и замковые соединения для нефтяных скважин после такой обработки становятся в разы устойчивее к износу, вибрации и коррозии. Плазма как бы «накачивает» поверхностный слой металла энергией, меняя его структуру на микроуровне и повышая твердость.

2. Нанесение покрытий. С помощью плазмы можно наносить тончайшие пленки — от алмазоподобных покрытий, делающих инструмент «вечным», до защитных слоев в микроэлектронике. Методы магнетронного распыления и вакуумно-дугового нанесения покрытий позволяют создавать слои толщиной в несколько атомов.

3. Изменение свойств поверхности (активация). Плазма может кардинально менять смачиваемость материалов. Обычный пластик после обработки в плазме из гидрофобного (водоотталкивающего) может стать гидрофильным (хорошо смачиваемым водой), что критически важно для качественной покраски или склеивания.

4. Плазменная очистка. Поток плазмы способен удалять мельчайшие органические загрязнения с поверхности, делая ее идеально чистой на атомарном уровне. Это незаменимо в производстве электроники.

То, что древние греки называли «огнем», оказалось сложнейшим и интереснейшим состоянием материи, в котором находится подавляющая часть видимой материи Вселенной. Сегодня плазма перестала быть только объектом научного интереса. Она прочно вошла в нашу жизнь: в неоновых вывесках, в плазменных телевизорах, в производстве смартфонов и в обработке металлов для авиации и космонавтики. Инженеры научились не просто зажигать «огонь», но и использовать его с филигранной точностью, чтобы делать окружающий мир прочнее, чище и технологичнее.