Канадские ученые объяснили популярный в интернете эксперимент по созданию плазмы из ягоды винограда в домашней микроволновой печи. Авторы статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences показали, что плазма зажигается за счет высоких значений энергии в области контакта двух половин и наличия ионов щелочных металлов на проводящей поверхности ягод.
Больше двадцати лет популяризаторы науки демонстрируют эксперимент, в котором они разрезают ягоду винограда, оставляя мостик из кожуры, ставят в микроволновую печь и наблюдают появление искр. На эмиссионном спектре такой плазмы можно увидеть линии натрия и калия, которые в высокой концентрации содержатся в кожице винограда. Это свидетельствует о том, что эти металлы ионизируются под действием сильного электрического поля на поверхности ягод. Образовавшиеся ионы щелочных металлов в свою очередь резонируют с микроволновым излучением и вызывают каскад ионов, формируя растущую и уже независимую от ягод плазму.
В научной литературе у феномена образования ионного газа не было объяснения до тех пор, пока группа канадских ученых под руководством Аарона Слепкова (Aaron D. Slepkov) из университета Трент не занялись его подробным рассмотрением в лабораторных условиях. Ученые помещали в микроволновую печь две ягоды винограда или два гидрогелиевых шарика, которые состоят практически полностью из воды, и следили с помощью тепловизора за распределением тепловой энергии под воздействием микроволнового изучения. Для того, чтобы определить положение самых горячих областей на поверхности ягод, их предварительно обернули в термобумагу, которая темнела при нагреве до температуры около 85 градусов Цельсия.
На основе тепловизионных изображений исследователи сделали вывод о том, что больше всего тепловой энергии выделяется в точке соприкосновения двух сфер. Причем, судя по экспериментам с термобумагой, даже не на поверхности, а в пространстве между ними (наиболее крупное темное пятно оказалось в среднем слое бумаги). Теоретическое моделирование взаимодействия гидрогелиевых шариков с микроволновым излучением подтвердило эти эмпирические данные.
Авторы работы утверждают, что скопление энергии происходит за счет процессов, сходных с резонансом Ми — две водяных сферы когерентно усиливают микроволновое излучение, достаточное для ионизации калия и натрия и возникновения плазмы. Такой поверхностный резонанс позволяет возбуждать молекулы в областях размеров, на которые невозможно воздействовать традиционными оптическими методами.
По словам авторов работы, результаты их экспериментов пригодятся в исследованиях в области нанофотоники и для создания новых приборов на основе принципов резонанса. Около года назад российские ученые создали наноантенны, длину волны излучения которых можно изменять, варьируя их химических состав.
Алина Кротова.
Читайте также: 9 странных феноменов, которые не может объяснить наука