Fraktalne kryształy lodu, czyli niezwykłe struktury w sercu plazmy
Aby osiągnąć ten efekt, badacze wytworzyli plazmę między elektrodami schłodzonymi do ekstremalnie niskich temperatur, a następnie wprowadzili do niej parę wodną w otoczeniu neutralnego gazu. W tych warunkach spontanicznie zaczęły się formować mikroskopijne ziarna lodu. Nie były to jednak zwykłe, zwarte kulki. Ich struktura okazała się niezwykle puszysta i rozgałęziona, przypominająca skomplikowane, fraktalne płatki śniegu.
Okazuje się, że puszystość ziaren ma ważne konsekwencje. Nieregularne ziarna, nawet rosnąc, zawierają znacznie mniej masy niż lite ziarno sferyczne – wyjaśnia Paul Bellan z Caltech
Ta lekkość i porowatość nadaje ziarnom zupełnie nowe właściwości fizyczne, odróżniając je radykalnie od gęstych, sferycznych cząstek. To właśnie ich unikalna budowa leży u podstaw zaobserwowanych zjawisk. Najbardziej widowiskowym aspektem odkrycia jest zachowanie tych ziaren. W plazmie elektrony poruszają się znacznie szybciej od cięższych, dodatnio naładowanych jonów, przez co ziarna lodu bardzo szybko zyskują ładunek ujemny. Ponieważ są niezwykle lekkie jak na swój rozmiar, ich stosunek ładunku do masy jest niezwykle wysoki.
Efekt jest zdumiewający, gdyż ziarna nie opadają pod własnym ciężarem. Zamiast tego wykonują skomplikowany, wirowy taniec, który zdaje się ignorować przyciąganie ziemskie. Unoszą się, krążą i tworzą wiry w całej objętości plazmy. Zachowanie to utrzymuje się nawet wtedy, gdy ziarna urosną setki razy większe niż gęste cząstki używane w poprzednich eksperymentach. Ujemnie naładowane ziarna wzajemnie się odpychają i są utrzymywane w zawieszeniu przez wewnętrzne pole elektryczne, przez co nie dochodzi między nimi do kolizji. Ich oddziaływanie z otaczającym gazem jest delikatne i nieprzewidywalne.
Od pierścieni Saturna po fabryki chipów
Znaczenie tego odkrycia wykracza daleko poza czystą naukę. Mechanizmy zaobserwowane w laboratorium mogą tłumaczyć zachowanie materii w pierścieniach Saturna czy we wspomnianych obłokach molekularnych. Dzięki dużej powierzchni i wysokiemu stosunkowi ładunku do masy, takie puszyste ziarna mogą efektywnie przenosić pęd z pól elektrycznych na obojętny gaz. Perspektywy są też całkiem przyziemne. Wyzwaniem dla przemysłu półprzewodnikowego jest spontaniczne powstawanie pyłu w plazmie przemysłowej, który osadza się na waflach krzemowych i unieruchamia precyzyjne struktury chipów. Głębsze zrozumienie fraktalnego wzrostu i dynamiki takich ziaren może prowadzić do opracowania lepszych metod kontroli zanieczyszczeń.
Czytaj też: To szkło nie pęka, tylko leczy. Jednak to działa lepiej niż tradycyjne implanty
Badania, opisane w Physical Review Letters pokazują, jak mikroskopijne cechy pojedynczych ziaren kształtują zachowanie całego układu plazmy. To nowe pole do eksploracji, które łączy fizykę ekstremalnego zimna z gorącą plazmą. Jedno jest pewne: praca zespołu Nicolova, Bellana i Pree otwiera fascynujące możliwości reinterpretacji zarówno odległych zjawisk astronomicznych, jak i problemów w zaawansowanych procesach produkcyjnych.