ダストプラズマ
将来的にダストプラズマが、通常のプラズマで可能なようにナノレベルで自在に制御できた暁のこととして、エネルギーサイクルを持ち自発的秩序形成機能を備えた散逸構造化されたプラズマで構成された、通常の壊れやすい機械的部品をいっさい持たない探査機を作り、宇宙空間に飛ばすことをはじめとする提案がなされている。
プラズマ状態で宇宙空間に漂っているダストなどを観測する技術が進歩した結果、宇宙空間には意外にもかなり豊富に、生物を構成するアミノ酸や核酸塩基の元となる有機化合物が分布する領域があることが明らかになってきた。それらの物質は、宇宙空間でダストプラズマの自己組織化によって生成され蓄積されてきたとも考えられている。ダストプラズマ中の粒子が宇宙空間で自己組織化して単純な有機分子となり、さらに生体分子へとつながる過程を再現することを通し、究極的には生命誕生の秘密の一端を解き明かそうと取り組む研究グループが複数生まれている。 宇宙空間に観測された有機分子に宇宙線を模した電磁波を照射して、有機分子の変化を追跡するといった手法の研究は行われており、すでにいくつかのモデル反応の実現に成功している。
そこでその中でポテンシャルエネルギー最小の状態として、微粒子がほぼ等間隔で並ぶ結晶が出来ると考えられる。
実験ではメタンプラズマ中に発生・生長する水素化アモルファスカーボンの球形微粒子(粒径 3 μm まで)などが用いられている。そして粒子間隔が 10 μm より広いきれいなクーロン結晶が得られ、CCDカメラにより容易に観察・計測される。
ダストプラズマ中で観察されたクーロン結晶の構造としてこれまで報告されたものには、BCC構造(体心立方格子)、FCC構造(面心立方格子)、六方最密格子、単純六方格子などがある。そして単純六方格子のクーロン結晶が圧力を徐々に低下させていくと次第に溶融し、乱雑な液体へと移行していく様子も観察されている。これらの構造の差はクーロン結合パラメタ Γ と遮蔽パラメタ κ = a {\displaystyle a} d/λD の値によって定まっているようである。 分子動力学シミュレーションによって、Γ−κ 平面上で固相(BCC、FCC)、液相の3つの相のそれぞれの存在領域を示す相図も得られている。
一般にある粒子系で、隣り合う粒子間の相互作用エネルギーが平均して熱運動エネルギーよりも大きい場合を強結合、小さい場合を弱結合という。通常のプラズマは弱結合である。それに対し、ダストプラズマではダスト微粒子の荷電 Q が大きいために、微粒子系に着目すると、それは容易に強結合になる。
粒子系での平均粒子間距離 a {\displaystyle a} は a = ( 3 / 4 π n ) 1 / 3 {\displaystyle a=(3/4\pi n)^{1/3}} (n は粒子密度)で与えられ、しばしばウィグナー・サイツ半径と呼ばれる。ここで荷電 q をもつ粒子の系を考えると、平均距離 a {\displaystyle a} にある2粒子間のクーロン・ポテンシャルエネルギー φ = q 2 / 4 π ε 0 a {\displaystyle \phi =q^{2}/4\pi \epsilon _{0}a} が問題になる。そして このポテンシャルエネルギーと粒子の熱運動エネルギー kBT との比
Γ = q 2 4 π ε 0 a k B T {\displaystyle \Gamma ={\frac {q^{2}}{4\pi \epsilon _{0}ak_{B}T}}}
はクーロン結合パラメタと呼ばれ、熱運動と比べて粒子間相互作用がどれだけ強いかを表す。Γ ≪1 ならば弱結合で、粒子はばらばらに熱運動する。一方 、Γ ≥ {\displaystyle \geq } 1 ならば強結合で、粒子間相互作用が勝るので、粒子系は秩序だった行動をとりやすい。