Исследователи из Института науки и технологий Австрии (ISTA) разработали новый способ захвата, удержания и электрической зарядки одной аэрозольной частицы с помощью двух лазерных лучей. Метод позволяет учёным детальнее изучить, как крошечные взвешенные частицы приобретают и теряют электрический заряд, что может помочь объяснить, как заряжаются облака и как возникает молния.
Аэрозоли — это крошечные жидкие или твёрдые частицы, парящие в воздухе. Они повсюду вокруг нас: от видимой пыльцы весной до микроскопических частиц, таких как вирусы. Некоторые, как морская соль, можно даже вдохнуть у побережья. Эти частицы также важны для облаков, поскольку они обеспечивают поверхность, на которой может собираться водяной пар, что делает их важной частью погоды и климата.
Докторант Андреа Штёльнер, входящая в исследовательские группы Вайтукайтиса и Мюллера в ISTA, изучает кристаллы льда внутри облаков. Поскольку реальные облачные частицы трудно изучать напрямую, она использует прозрачные частицы диоксида кремния в качестве модельных аэрозолей в лаборатории. Хотя эти частицы гораздо меньше природных кристаллов льда, они позволяют исследователям изучать, как облачные частицы накапливают и обмениваются электрическим зарядом.
Работая вместе с бывшим постдокторантом ISTA Айзеком Лентоном, доцентом Скоттом Вайтукайтисом и другими соавторами, Штёльнер помогла создать экспериментальную установку, которая использует два сфокусированных лазерных луча для создания так называемых оптических пинцетов. Они используют плотно сфокусированный лазерный свет для захвата и удержания микроскопических частиц без контакта с ними. Учёные уже используют оптические пинцеты для измерения малых сил и электрического заряда частиц с высокой точностью в жидкостях, воздухе и даже в вакууме.
В эксперименте лазерные лучи проходят через серию зеркал, прежде чем встретиться внутри камеры, где аэрозольные частицы дрейфуют через оптическую ловушку. Антивибрационный стол уменьшает колебания от помещения и близлежащего оборудования, позволяя исследователям удерживать одну частицу неподвижно достаточно долго для детальных измерений.
«Когда я впервые поймала частицу, я была на седьмом небе», — говорит Штёльнер, вспоминая свой момент эврики два года назад, прямо перед Рождеством. «Скотт Вайтукайтис и мои коллеги вбежали в лабораторию и мельком взглянули на захваченную аэрозольную частицу. Это продолжалось ровно три минуты, затем частица исчезла. Теперь мы можем удерживать её в этом положении неделями».
Штёльнер говорит, что ушло почти четыре года, чтобы достичь этой точки, развивая более раннюю версию установки, разработанную Лентоном. Первоначальная цель заключалась в том, чтобы захватить одну частицу, измерить её электрический заряд и изучить, как влажность влияет на него. Вместо этого исследователи сделали неожиданное открытие. Лазер, используемый для удержания частицы, также изменял её электрический заряд.
«Изначально наша установка была создана только для того, чтобы удерживать одну частицу, анализировать её заряд и выяснять, как влажность изменяет его», — объясняет Штёльнер. «Но мы так далеко не зашли. Мы обнаружили, что используемый нами лазер сам заряжает наши аэрозольные частицы».
Команда выяснила, что это происходит через так называемый двухфотонный процесс. Фотоны — это крошечные пакеты света, составляющие лазерный луч. Когда два фотона поглощаются почти одновременно, они обеспечивают достаточно энергии, чтобы удалить один электрон — отрицательно заряженную частицу, присутствующую в каждом атоме, — из частицы диоксида кремния. По мере того как электроны удаляются один за другим, частица постепенно становится более положительно заряженной. Исследователи говорят, что их модель этого процесса зарядки хорошо соответствует тому, что они наблюдали в эксперименте.
«Теперь мы можем точно наблюдать эволюцию одной аэрозольной частицы по мере её зарядки от нейтральной до сильно заряженной и регулировать мощность лазера, чтобы контролировать скорость», — говорит Штёльнер.
Команда также обнаружила, что по мере того как частица становится более положительно заряженной, она время от времени высвобождает часть этого заряда спонтанными всплесками. Они полагают, что нечто подобное может происходить внутри грозовых облаков, где столкновения между кристаллами льда и более крупными ледяными частицами передают электрический заряд.
Учёные знают, что эти обмены зарядами являются важной частью образования молнии, но что именно вызывает первую искру, до сих пор неизвестно. Одна теория предполагает, что молния начинается на заряженных кристаллах льда, в то время как другая утверждает, что космические лучи помогают запустить процесс, создавая заряженные частицы, которые ускоряются в существующих электрических полях. Однако современные знания показывают, что электрические поля, измеренные внутри облаков, кажутся слишком слабыми, чтобы полностью объяснить, как начинается молния.
Штёльнер считает, что новая установка позволяет проверить теорию ледяных кристаллов более детально, отслеживая, как отдельные частицы приобретают и теряют заряд со временем. «Наша новая установка позволяет нам исследовать теорию ледяных кристаллов, внимательно изучая динамику зарядки частицы во времени», — объясняет Штёльнер.
Хотя исследователи используют частицы диоксида кремния вместо настоящих кристаллов льда, они надеются, что изучение этих мелкомасштабных взаимодействий поможет выявить, что происходит внутри грозовых облаков. «Наши модельные кристаллы льда демонстрируют разряды, и, возможно, в этом есть нечто большее. Представьте, если они в конечном итоге создадут крошечные молнии — это было бы круто», — говорит Штёльнер с улыбкой.
Эта статья была подготовлена с некоторой помощью ИИ и проверена редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года этот материал используется в целях новостного репортажа. Добросовестное использование — это использование, разрешённое законом об авторском праве, которое в противном случае может считаться нарушением.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
