Ученые сделали снег в плазме, и он отказался падать. Шах и мат, Исаак Ньютон

Учёные из Калифорнийского технологического института (Caltech) впервые заметили, как в лабораторном плазменном эксперименте из водяного пара вырастают «пушистые» ледяные зерна, которые ведут себя так, будто игнорируют гравитацию. Эти странные структуры, напоминающие миниатюрные снежинки, не оседают на дно камеры, а парят, кружатся и сталкиваются с потоками плазмы, помогая по-новому взглянуть на процессы, происходящие в глубоких областях космоса и внутри промышленных плазменных установок.

Команда под руководством аспиранта Андре Николова и физика Пола Беллана воссоздала в криогенной камере условия, похожие на те, что существуют возле зарождающихся звёзд, в кольцах планет и межзвёздных облаках. В смесь практически нейтрального газа учёные ввели водяной пар и создали плазму между охлаждёнными электродами. Ледяные частицы сформировались сами по себе и быстро приобрели отрицательный заряд — быстрые электроны буквально облепили их рыхлую, фрактальную поверхность. Именно эта «пушистость» и стала ключом к их странному поведению: отношение заряда к массе у зерен оказалось настолько высоким, что электрические силы полностью доминировали над гравитацией.

Вместо того чтобы падать вниз, зерна разошлись по всей камере, подпрыгивали, закручивались в вихрях и реагировали на малейшие электрические колебания. Это наблюдалось даже тогда, когда частицы вырастали в сотни раз больше применяемых ранее пластиковых сфер — чем крупнее становилось зерно, тем более рыхлой, перисто-фрактальной становилась его структура. Отталкиваясь друг от друга одинаковым отрицательным зарядом, частицы двигались в газе словно перья на ветру, а удерживало их внутри плазмы направленное внутрь электрическое поле.

Исследователи считают, что такое поведение поможет лучше понять динамику пылевых сред в астрофизике — от колец Сатурна до протопланетных дисков. Благодаря огромной площади поверхности и высокому заряду такие зерна могут переносить импульс от электрических полей к окружающему нейтральному газу, фактически создавая «ветер», который переносит газ и пыль на большие расстояния. Команда не исключает, что похожие микроскопические структуры могут играть роль в формировании потоков вещества в галактиках.

Не менее важен и прикладной аспект: в полупроводниковой промышленности пыль, возникающая внутри промышленных плазм, способна испортить микроскопические элементы чипов. Новое исследование показывает, что для эффективного контроля и удаления таких частиц необходимо учитывать их фрактальный характер и особенности зарядки. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.