Исследователи из Мичиганского университета показали, что увеличение площади поверхности при взаимодействии плазмы и воды может помочь в масштабировании технологии, которая уничтожает такие загрязнители, как PFAS, детергенты и микробные загрязнители в питьевой воде.
Основные выводы
- При определённых условиях, когда плазма контактирует с водой, она может самоорганизовываться, образуя сложные структуры, напоминающие звёзды, колёса или шестерни. Это увеличивает площадь контакта.
- Исследователи впервые зафиксировали изображения поверхности воды под самоорганизующейся плазмой, обнаружив, что плазма оказывает электрическое воздействие на воду, искажая её поверхность и создавая поверхностные волны.
- Результаты показывают, что форма и размер волн зависят от скорости нагрева газа и электрических свойств воды, что можно использовать для увеличения площади поверхности плазмы и обработки большего объёма воды за один раз.
Уничтожение PFAS с помощью плазмы
PFAS, известные как «вечные химикаты», используются в продуктах из-за их термостойкости и устойчивости к пятнам. Однако эти же свойства делают соединение устойчивым к разрушению после утилизации.
Плазма может уничтожать PFAS при введении в загрязнённую воду. Плазма — это активированный газ, который производится в обычном воздухе при атмосферном давлении и состоит из энергичных электронов, ионов и возбуждённых частиц.
При контакте с водой холодная плазма производит ионы, сольватированные электроны, возбуждённые молекулы, ультразвуковые волны, ударные волны и ультрафиолетовый свет, которые могут разорвать связь фтор-углерод.
Первая магнито-оптическая ловушка стабильной молекулы
Исследователи из отдела молекулярной физики Института Фрица Хабера продемонстрировали первую магнито-оптическую ловушку стабильной «замкнутой» молекулы: монофторида алюминия (AlF). Они смогли охладить AlF с помощью лазеров и селективно удерживать его на трёх различных вращательных квантовых уровнях.
Открытие в ультрахолодной физике
Их эксперименты открывают двери для передовой прецизионной спектроскопии и квантового моделирования с AlF. Работа была принята к публикации в Physical Review Letters и в настоящее время доступна на сервере препринтов arXiv.
Охлаждение вещества до температур, близких к абсолютному нулю (0 K, −273,15 °C), подобно микроскопу для квантово-механического поведения, позволяя физике, которая обычно размыта, обрести резкость.
Лазерное охлаждение
После изобретения лазера физики поняли, что охлаждающие циклы можно реализовать через взаимодействие материи со светом. Эффект отдельной частицы света (фотона) невелик, но при накоплении тысяч раз в цикле лазерное охлаждение становится чрезвычайно мощным: достигаемые предельные температуры могут составлять около одной тысячной до одной миллионной доли градуса выше нуля Кельвина (10−3—10−6 K).
Ультрахолодные молекулы
Почти 40 лет можно готовить ультрахолодные нейтральные атомы в «магнито-оптических ловушках». Здесь несколько лазерных лучей захвата сочетаются с правильно выбранным магнитным полем для удержания частиц и охлаждения их примерно до одной тысячной градуса выше абсолютного нуля температуры.
Более десяти лет назад исследователи смогли охладить лазером и захватить диатомную молекулу — простейшее химическое соединение, но уже со значительно более сложной энергетической структурой, чем у атома.
В настоящее время исследовательская группа из отдела молекулярной физики демонстрирует эксперименты, которые могут революционизировать физику ультрахолодными молекулами: они демонстрируют первую магнито-оптическую ловушку «синглетной» молекулы, монофторида алюминия (AlF).
AlF имеет чрезвычайно сильную химическую связь, которая в сочетании с другими свойствами делает его химически инертным по сравнению со всеми другими охлаждёнными лазером молекулами. Благодаря своим свойствам его легче производить с высокой эффективностью в лаборатории, и он вряд ли будет потерян в ультрахолодных экспериментах посредством химических реакций.
Перспективы
Лазерно-охлаждённый AlF, вероятно, позволит проводить новые прецизионные измерения и квантовый контроль молекул. Особенно интересным аспектом AlF является наличие долгоживущего «метастабильного» электронного состояния, для которого спины электронов объединяются, образуя так называемый «триплет». Метастабильное состояние можно достичь из основного состояния с помощью другого ультрафиолетового перехода, что открывает дверь к ещё более низким температурам.