Stofplasma: hoe stofjes zich ordenen tot kristallen in een geïoniseerd gas
Stel je een zonnestraal voor die door een kamer valt, met stofjes die er willekeurig in dwarrelen. Vervang nu de lucht door een plasma — een gas dat zo heet of zo sterk elektrisch geprikkeld is dat atomen elektronen kwijtraken, waardoor het geladen deeltjes bevat en stroom geleidt. Plasma wordt vaak de vierde toestand van materie genoemd, naast vast, vloeibaar en gas. Voeg daar piepkleine stofdeeltjes aan toe, en die raken zelf ook elektrisch geladen. In plaats van willekeurig te dwarrelen, gaan ze elkaar afstoten en ordenen ze zich in nette, regelmatige patronen. Dat is in de kern een stofplasma.
Het bijzondere is dat je dit direct kunt filmen. Atomen in een gewoon kristal, zoals zout of ijs, zijn veel te klein om individueel te fotograferen. De stofdeeltjes in een stofplasma zijn vaak tussen de één en tien micrometer groot, ongeveer zo dik als een spinnendraad, en dus met een camera te volgen. Onderzoekers kunnen zo deeltje voor deeltje live zien hoe materie zich ordent, smelt of weer bevriest. Dat maakt stofplasma tot een uniek, zichtbaar laboratoriummodel voor processen die normaal diep verscholen zitten op atomaire schaal.
Wat is het precies?
Een plasma ontstaat wanneer een gas zo heet wordt, of zo'n sterk elektrisch veld ondervindt, dat atomen hun elektronen verliezen. Er ontstaat dan een mengsel van vrije elektronen en positief geladen ionen (atomen die elektronen kwijt zijn). Dat mengsel geleidt elektriciteit en reageert op elektrische en magnetische velden, in tegenstelling tot een gewoon gas.
Wanneer stofdeeltjes in zo'n plasma terechtkomen, of daar met opzet aan worden toegevoegd, vangen ze voortdurend elektronen en ionen uit hun omgeving op. Omdat elektronen veel lichter en beweeglijker zijn dan ionen, botsen ze vaker tegen het stofdeeltje. Daardoor wordt een stofdeeltje meestal negatief geladen, vaak met duizenden tot tienduizenden elementaire ladingen tegelijk.
Omdat alle deeltjes eenzelfde soort lading dragen, stoten ze elkaar af, net als twee gelijke polen van een magneet. Bij voldoende dichtheid en een relatief lage bewegingsenergie gaan de deeltjes zich rangschikken in regelmatige, kristalachtige patronen: zogeheten plasmakristallen. Op aarde trekt de zwaartekracht de zwaardere stofdeeltjes naar beneden, waardoor meestal een extra elektrisch veld nodig is om ze zwevend te houden. Dat maakt de structuren vaak plat, bijna tweedimensionaal. In de vrijwel zwaartekrachtvrije omgeving van een ruimtestation kunnen de wolken echter driedimensionaal blijven, met rijkere en complexere patronen tot gevolg.
Wat dit systeem voor natuurkundigen zo waardevol maakt, is dat het processen als smelten, bevriezen, golfvorming en de vorming van kristalfouten zichtbaar maakt op een schaal en snelheid die je gewoon kunt filmen, terwijl datzelfde gedrag bij echte atomen alleen indirect en via omwegen te meten is.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is fundamenteel: stofplasma dient als toegankelijk modelsysteem voor zogeheten sterk gekoppelde systemen, waarin deeltjes elkaar sterk beïnvloeden. Doordat je individuele deeltjes kunt volgen, kunnen theorieën over fasetransities, kristalgroei, defecten en golfvoortplanting rechtstreeks getoetst worden, in plaats van alleen via simulaties.
Er is ook een heel praktisch belang vanuit de halfgeleiderindustrie. Bij plasma-etsen, een techniek waarbij een plasma wordt gebruikt om patronen in siliciumwafers te branden voor de productie van chips, ontstaan ongewenst stofdeeltjes. Die kunnen op een chip neerslaan en defecten veroorzaken. Beter begrip van hoe zulk stof zich vormt en beweegt helpt fabrikanten dit soort schade te beperken.
Een derde motivatie komt uit de fusietechnologie. In fusiereactoren zoals tokamaks kan het hete plasma materiaal van de reactorwand eroderen, waardoor stofdeeltjes ontstaan. Dat stof kan tritium vasthouden, een radioactieve waterstofisotoop die als brandstof dient, wat vragen oproept over veiligheid en brandstofboekhouding. Onderzoek naar stofplasma helpt inschatten hoeveel stof kan ontstaan en hoe het zich gedraagt.
Tot slot is er de astrofysische invalshoek. Stofplasmafysica helpt verklaren hoe planetenringen, kometenstaarten en protoplanetaire schijven zich gedragen: de gas- en stofwolken rond jonge sterren waaruit uiteindelijk planeten ontstaan. Elektrisch geladen stof beweegt namelijk anders dan neutraal stof, omdat het ook reageert op elektrische en magnetische velden.
Voorbeelden uit de praktijk
In 1994 ontdekten meerdere onderzoeksgroepen onafhankelijk van elkaar het bestaan van plasmakristallen. Een Duitse groep, verbonden aan het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, en een Taiwanese groep rond de onderzoekers Chu en I, zagen voor het eerst dat stofdeeltjes in een laboratoriumplasma spontaan een geordend roosterpatroon vormden. Dat moment geldt als het begin van stofplasma als apart onderzoeksveld.
Op het internationale ruimtestation ISS liep tussen ongeveer 2006 en 2013 het experiment PK-3 Plus, een Duits-Russische samenwerking waarbij onderzoekers van het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics en Russische partnerinstituten gebruikmaakten van de vrijwel zwaartekrachtvrije omgeving om driedimensionale stofplasmawolken te bestuderen zonder dat deze door de zwaartekracht inzakken. Sinds 2014 loopt de opvolger, PK-4, die vergelijkbaar onderzoek voortzet met verbeterde apparatuur.
Al in 1980 en 1981 fotografeerden de Voyager-ruimtesondes vreemde, radiale schaduwstrepen, spokes genoemd, in Saturnus' B-ring. Onderzoekers verklaarden dit verschijnsel later met stofplasmafysica: kleine, elektrisch geladen stofdeeltjes worden tijdelijk boven het vlak van de ring getild door elektrostatische krachten, voordat ze weer terugvallen.
In de fusiewereld wordt, mede met het oog op de internationale experimentele fusiereactor ITER die in Frankrijk wordt gebouwd, stofvorming in tokamaks gemeten en gemodelleerd om veiligheidslimieten te kunnen vaststellen voor stof dat tritium heeft opgenomen.
Hoe ver is de techniek?
Stofplasma is in de eerste plaats een onderzoeksveld binnen de plasmafysica, geen commercieel product op zich. Sinds de ontdekking van plasmakristallen in 1994 is het aantal publicaties gestaag gegroeid, en het veld combineert inzichten uit plasmafysica, statistische fysica en astrofysica.
Belangrijke stappen waren de overgang van platte, tweedimensionale laboratoriumopstellingen naar driedimensionale experimenten in microzwaartekracht aan boord van het ISS, en de ontwikkeling van software die duizenden individuele deeltjes tegelijk kan traceren op video.
Toch blijven er obstakels. Het is lastig om alle krachten die op een stofdeeltje werken, zoals lading, zwaartekracht, wrijving met het omringende neutrale gas en druk van stromende ionen, tegelijk nauwkeurig te meten en te modelleren. Ook is opschaling van rustige laboratoriumomstandigheden naar de veel extremere omgeving in een fusiereactor niet eenvoudig. Experimenten aan boord van het ISS zijn bovendien kostbaar en de beschikbare experimenttijd is beperkt. In de chipindustrie is stofbeheersing bij plasma-etsen al decennia gangbare praktijk, maar berust die deels nog op vuistregels; een volledig fysisch model van hoe stof precies ontstaat, ontbreekt vooralsnog.
Wie werken eraan?
Het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Duitsland geldt als pionier op het gebied van plasmakristallen en de bijbehorende ISS-experimenten. Het Duitse ruimtevaartagentschap DLR ondersteunt en financiert een deel van dit ruimteonderzoek.
Aan Russische kant zijn instituten verbonden aan de Russische Academie van Wetenschappen, waaronder het Joint Institute for High Temperatures in Moskou, al lange tijd partner in de PK-experimenten op het ISS. NASA en ESA faciliteren namens de Verenigde Staten en Europa de toegang tot het ruimtestation voor dit soort onderzoek.
Daarnaast doen universitaire onderzoeksgroepen wereldwijd laboratoriumonderzoek naar stofplasma, onder meer in de Verenigde Staten, waar Auburn University bekendstaat om onderzoek naar complexe plasma's, en in Duitsland, onder andere aan Kiel Universiteit. Het Leibniz Institute for Plasma Science and Technology (INP Greifswald) doet breder onderzoek naar plasmatechnologie waar dit onderwerp raakvlakken mee heeft.
Vanuit de toegepaste hoek investeren chipfabrikanten en leveranciers van plasma-etsapparatuur in stofbeheersing als onderdeel van hun productieprocessen, en werken de internationale ITER-organisatie en nationale fusielaboratoria aan onderzoek naar stofvorming als onderdeel van veiligheids- en materiaalonderzoek voor toekomstige fusiereactoren.