美國研究人員在實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)了深空中的奇異環(huán)境——冰冷塵埃、電離氣體與極寒溫度共存的狀態(tài)后，首次觀察到等離子體中的一種新現(xiàn)象。這項(xiàng)研究有望幫助半導(dǎo)體行業(yè)更好地控制工業(yè)等離子體中產(chǎn)生的粉塵污染。

在加州理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室中，科研團(tuán)隊成功復(fù)現(xiàn)了新生恒星周圍、行星環(huán)內(nèi)部以及巨大分子云中存在的極寒帶電環(huán)境。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，在低溫等離子體腔室內(nèi)，微小的冰晶顆粒逐漸生長成精致的雪花狀分形結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)仿佛不受重力約束，在等離子體中漂移、旋轉(zhuǎn)、彈跳。

這項(xiàng)由加州理工學(xué)院研究生安德烈·尼科洛夫和等離子體物理學(xué)家保羅·貝蘭博士共同領(lǐng)導(dǎo)的研究，可能重塑人們對宇宙及工業(yè)等離子體系中帶電塵埃行為的認(rèn)知。

反重力現(xiàn)象

研究人員在基本中性的氣體環(huán)境中，通過超冷電極產(chǎn)生了電子與正離子組成的等離子體。他們注入水蒸氣后，利用長焦顯微鏡鏡頭觀察到冰晶的自發(fā)形成。

這些冰晶因其蓬松的分形結(jié)構(gòu)迅速積累高速運(yùn)動的電子，從而帶負(fù)電。與常規(guī)固體顆粒不同，它們并未沉降至腔室底部。貝蘭指出："事實(shí)證明，顆粒的蓬松度具有關(guān)鍵影響。它們的結(jié)構(gòu)如此松散，以至于荷質(zhì)比極高，電力作用遠(yuǎn)比重力顯著。"

顆粒反而在等離子體中擴(kuò)散，并開始上下浮動、在渦流中旋轉(zhuǎn)飛舞。尼科洛夫稱這種現(xiàn)象"極其復(fù)雜"且難以預(yù)測。即便冰晶尺寸增長到此前所用實(shí)心塑料球的數(shù)百倍，這種運(yùn)動仍持續(xù)存在，且顆粒越大結(jié)構(gòu)越蓬松。

尼科洛夫強(qiáng)調(diào)："微粒的微觀蓬松結(jié)構(gòu)影響著整個顆粒云和等離子體的運(yùn)動。" 這些顆粒被向內(nèi)作用的電場束縛在等離子體中。

意料之外的動力學(xué)

由于所有顆粒均帶負(fù)電，它們相互排斥、擴(kuò)散且不發(fā)生碰撞。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，其蓬松結(jié)構(gòu)使它們能像風(fēng)中的羽毛般在中性氣體中飄蕩。研究人員認(rèn)為，該發(fā)現(xiàn)有助于理解天體物理中帶電冰晶相互作用的塵埃環(huán)境，例如土星環(huán)、恒星形成分子云和原行星盤。

由于這些顆粒具有大表面積和高荷質(zhì)比，它們能作為中介，將動量從電場傳遞至周圍中性氣體。貝蘭解釋："可以形成這樣一種'風(fēng)'：電場推動塵埃顆粒，繼而推動中性氣體。" 他甚至推測這些微小蓬松顆?？赡苤鲗?dǎo)著星系中氣體與塵埃的流動。

尼科洛夫表示，該發(fā)現(xiàn)對半導(dǎo)體制造也有啟示意義。工業(yè)等離子體內(nèi)形成的粉塵若沉降到精密芯片上會導(dǎo)致?lián)p壞，理解其生長和運(yùn)動機(jī)制將有助于優(yōu)化控制與清除方案。他在新聞稿中總結(jié)道："若要控制這些顆粒，必須考慮其分形特性。"

該研究已發(fā)表于《物理評論快報》。

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