Zespół badaczy z Caltechu postanowił sprawdzić, co dzieje się, gdy ultrazimny lód spotyka się z gorącą plazmą. Naukowcy stworzyli specjalne środowisko między schłodzonymi elektrodami, wstrzyknęli parę wodną i rozpoczęli obserwacje. Wynik eksperymentu okazał się znacznie ciekawszy, niż się pierwotnie spodziewano. Zamiast zwykłych, zwartych kryształków lodu, zaczęły formować się dziwne, rozbudowane struktury.
Powstały nie kulki, a fraktalne i puszyste twory
Klasyczny obraz ziaren pyłu czy lodu to małe, zwarte kuleczki. Tymczasem w eksperymencie kalifornijskich naukowców lód wybrał zupełnie inną formę. Powstałe ziarna były niezwykle puszyste i rozgałęzione, przypominając fraktale – obiekty, których skomplikowana struktura powtarza się w coraz mniejszej skali. To coś w rodzaju mikroskopijnych, nieprawdopodobnie skomplikowanych płatków śniegu.
Czytaj także: Plazma wodorowa zapewniła niespotykaną wydajność. Produkcja metali wejdzie na kolejny poziom
Ta pozorna dziwaczność kształtu ma kluczowe fizyczne konsekwencje. Takie puszyste ziarno, nawet jeśli jest duże, zawiera bardzo mało masy w porównaniu do swojej objętości. Jednocześnie jego powierzchnia jest ogromna. Ten prosty fakt zmienia wszystko, jeśli chodzi o interakcje takiej cząstki z otaczającą ją plazmą.
W tym świecie grawitacja schodzi na dalszy plan
W standardowych warunkach na Ziemi grawitacja nieubłaganie ciągnie cząstki pyłu w dół. W eksperymencie z plazmą i puszystym lodem ta zasada przestała obowiązywać. Okazało się, że ziarna błyskawicznie ładowały się ujemnie, ponieważ swobodne elektrony w plazmie są znacznie szybsze i ruchliwsze od cięższych, dodatnich jonów. Dzięki ogromnemu stosunkowi ładunku elektrycznego do niewielkiej masy, to właśnie siły elektryczne zaczęły rządzić ruchem.
André Nicolov, główny autor badania, opisuje to jako skomplikowany ruch, który wydaje się przeczyć grawitacji. Ziarna nie opadały, lecz unosiły się, wirowały i poruszały w nieprzewidywalnych wirach, niczym pióra w podmuchach wiatru, tyle że za ich “taniec” odpowiadały lokalne pola elektryczne, a nie grawitacja. Co więcej, wszystkie będąc naładowane ujemnie, odpychały się od siebie, co prowadziło do ich równomiernego rozproszenia w przestrzeni i praktycznie eliminowało zderzenia. Ciekawostką jest też to, że im większe stawało się ziarno, tym bardziej utrzymywało swoją puszystą, fraktalną strukturę.
Od galaktycznych wiatrów po ziemskie zastosowania
Odkrycie to jest czymś więcej niż tylko ciekawostką laboratoryjną. Mikrostruktura takich ziaren bezpośrednio wpływa na ruch całych ich chmur oraz plazmy, co może stanowić brakujący element w wyjaśnianiu pewnych zjawisk astrofizycznych. Podobnie naładowane cząstki występują przecież w pierścieniach Saturna czy wspomnianych na początku zimnych obłokach molekularnych.
Paul Bellan, profesor fizyki stosowanej w Caltechu, wskazuje na intrygującą możliwość. Ziarna o wielkiej powierzchni i wysokim ładunku mogą działać jak pośrednicy, przekazując pęd z pól elektrycznych do obojętnego gazu. Pole elektryczne popycha ziarna, a te, zderzając się, popychają gaz, tworząc coś w rodzaju wiatru. W skali kosmicznej oznacza to, że te mikroskopijne, puszyste twory mogą napędzać potężne strumienie materii przecinające galaktyki.
Czytaj także: Rozpracowali plazmę w fuzji jądrowej. Wielki sukces zwiastuje energetyczny przełom
Znacznie bliższe nam jest inne, bardzo praktyczne zastosowanie tych badań – przemysł półprzewodnikowy. Spontaniczne powstawanie pyłu w plazmie przemysłowej, używanej do produkcji chipów, to prawdziwa zmora inżynierów. Osadza się on na mikroskopijnych tranzystorach, uszkadzając je. Dotychczasowe modele często zakładały, że mamy do czynienia ze zwartymi, sferycznymi cząstkami. Nicolov podkreśla, że aby skutecznie kontrolować lub usuwać zanieczyszczenia, musimy wziąć pod uwagę ich fraktalną naturę. To nie są proste kulki, których zachowanie łatwo przewidzieć. Ich rozgałęziona struktura i specyficzny ruch wymagają opracowania zupełnie nowych strategii.
Choć od laboratoryjnego eksperymentu do rozwiązania problemów w fabrykach chipów daleka droga, samo zrozumienie, że kosmiczne zjawiska można badać na stole laboratoryjnym, a ich odkrycia mogą mieć bardzo przyziemne konsekwencje, jest niezwykle inspirujące. Pokazuje to, jak badania podstawowe, z pozoru odległe od codzienności, często okazują się kluczem do technologicznych przełomów.
