کشف دانههای پفدار که قوانین فیزیک را بهچالش میکشد
زمانی که یک گاز بهشدت انرژی میگیرد الکترونهای آن از اتمهای مادر جدا میشوند و پلاسما شکل میگیرد؛ حالتی از ماده که اغلب در کنار سه حالت شناختهشده جامد، مایع و گاز فراموش میشود. پلاسما معمولا با پدیدههای بسیار داغ مانند خورشید، رعد و برق یا جوشکاری قوس الکتریکی تداعی میشود، اما در برخی شرایط، ذرات فوقالعاده سرد نیز میتوانند در کنار پلاسما وجود داشته باشند. تصاویر ابرهای مولکولی دوردست که تلسکوپ فضایی جیمز وب ثبت کرده است، نمونهای از چنین همزیستی گرم سرد را نشان میدهد؛ جایی که غبار یخزده در میان گازهای شوکهشده و ستارگان نوظهور میدرخشند.
خلق پلاسماهای یخی در آزمایشگاه
به گزارش phys.org، اکنون گروهی از پژوهشگران کلتک موفق شدهاند چنین سامانهای را در آزمایشگاه بازسازی کنند. آنها پلاسمایی ایجاد کردند که در آن الکترونها و یونهای دارای بار مثبت میان الکترودهای فوقسرد و داخل محیطی عمدتا خنثی قرار داشتند. سپس بخار آب را به این محیط تزریق کردند و شاهد شکلگیری خودبهخودی دانههای ریز یخی شدند.
تیم پژوهشی با استفاده از دوربینی مجهز به لنز میکروسکوپی از راه دور، رفتار این دانهها را مطالعه کرد. آنها با شگفتی دریافتند که در این شرایط، دانههای یخی بسیار پرپف تشکیل شده و به اشکالی فراکتالی رشد میکنند؛ ساختارهایی شاخهدار و نامنظم که در مقیاسهای مختلف شباهت خود را حفظ میکنند. همین ساختار غیرعادی منجر به بروز فیزیک تازهای شده است.
این پژوهش در مجله Physical Review Letters منتشر شده و نویسندهٔ اصلی آن آندره نیکولوف، دانشجوی دکترای کلتک است.
پل بلن، استاد فیزیک کاربردی در کلتک میگوید: پفبودن این دانهها پیامدهای مهمی دارد. یکی از این پیامدها آن است که این ذرات نامنظم، حتی با رشد کردن، جرم بسیار کمتری نسبت به دانههای جامد کروی دارند. معمولاً در آزمایشهای پلاسماهای غباری، دانههای جامد پلاستیکی بسیار کوچک به پلاسما تزریق میشود، اما ساختار یخی جدید کاملا متفاوت رفتار میکند.
بار منفی بالا و حرکتهایی برخلاف انتظار
بنابر مشاهدات نیکولوف و بلن، دانههای پفدار یخی بهسرعت دارای بار منفی میشوند، زیرا الکترونها در پلاسما بسیار سریعتر از یونهای مثبت حرکت میکنند.
این دانهها آنقدر پفدار هستند که نسبت بار به جرم آنها بسیار بالا است؛ بنابراین نیروهای الکتریکی نقش مهمتری نسبت به گرانش دارند. بلن توضیح میدهد که برخلاف آزمایشهای دیگر که در آنها گرانش باعث فرورفتن دانههای جامد به کف محفظه میشود، در اینجا گرانش نقش اصلی را ایفا نمیکند.
بهجای آن دانههای یخی در سراسر پلاسما پراکنده شدند و نوعی حرکت پیچیده که بهنظر خلاف جاذبه میرسد از خود نشان دادند؛ حرکتی همراه با بالا و پایین رفتن، چرخش، اسپین و گردش در گردابهها. این رفتار حتی زمانی نیز ادامه داشت که دانهها به اندازههایی بسیار بزرگتر از نمونههای پلاستیکی معمول (صدها برابر) رشد کردند. نکته جالبتر این است که هرچه دانهها بزرگتر میشدند، پفبودن آنها نیز افزایش مییافت.
پیامدها برای فضا و فناوری
به گفته نیکولوف، ساختار فراکتالی میکروسکوپی این دانهها بر حرکت کل ابر ذرات و حتی بر خود پلاسما اثر میگذارد. این دانهها توسط میدان الکتریکی رو به داخل بهشدت در پلاسما محبوس میشوند و، چون همگی بار منفی دارند، یکدیگر را دفع کرده و فاصله یکنواختی بینشان ایجاد میشود و از برخورد اجتناب میکنند. پفبودن آنها نیز باعث میشود که مانند یک پر در باد، تعامل متفاوتی با گاز خنثی اطراف داشته باشند.
بلن میگوید این رفتار میتواند به درک ما از تعامل دانههای یخی باردار در محیطهای اخترفیزیکی کمک کند؛ مانند حلقههای زحل یا ابرهای مولکولی. او توضیح میدهد که، چون این دانهها سطح بسیار بزرگ و نسبت بار به جرم بالایی دارند، ممکن است واسطههایی برای انتقال تکانه از میدانهای الکتریکی به گازهای خنثی باشند.
او میگوید: میتوانید بادی ایجاد کنید که در آن میدان الکتریکی دانههای غبار را هل میدهد و دانهها گاز خنثی را؛ بنابراین این ذرات کوچک و پفدار ممکن است در پدیدههایی نظیر جریان گاز و غبار در سراسر کهکشان نقش داشته باشند.
از سوی دیگر این یافتهها میتواند برای صنعت نیمهرسانا نیز ارزشمند باشد. در فرایندهای ساخت تراشه، گاهی ذرات غبار که در پلاسماهای صنعتی تشکیل میشوند، روی بخشهای بسیار ظریف تراشه مینشینند و آن را تخریب میکنند. درک بهتر رشد فراکتالی و رفتار این دانهها میتواند به بهبود راهبردهای کنترل و حذف آنها کمک کند. نیکولوف میگوید: اگر قصد کنترل این دانهها را دارید، باید ساختار فراکتالیشان را در نظر بگیرید.
انتهای پیام/
