Agora, uma equipe de pesquisadores do Caltech conseguiu recriar um sistema de plasma gelado desse tipo em laboratório. Eles criaram um plasma no qual elétrons e íons carregados positivamente coexistem entre eletrodos ultrafrios em um ambiente gasoso predominantemente neutro, injetaram vapor d'água e observaram a formação espontânea de minúsculos grãos de gelo. O comportamento dos grãos foi estudado utilizando uma câmera com uma lente de microscópio de longo alcance. A equipe se surpreendeu ao descobrir que grãos extremamente "fofos" se desenvolveram nessas condições e cresceram em formas fractais — estruturas ramificadas e irregulares que são autossimilares em várias escalas. E essa estrutura leva a alguns fenômenos físicos inesperados.

Os cientistas descrevem seu trabalho em um artigo publicado na revista Physical Review Letters . O autor principal do artigo é André Nicolov (MSc '22), estudante de pós-graduação do Caltech.

"Acontece que a textura fofa dos grãos tem consequências importantes", diz Paul Bellan , professor de física aplicada no Caltech. Uma dessas consequências é que os grãos irregulares, mesmo à medida que crescem, contêm muito menos massa do que, digamos, um grão esférico sólido. E, de fato, quando outros cientistas estudam sistemas de "plasma empoeirado", eles normalmente injetam minúsculos grãos esféricos sólidos de plástico no plasma.

Nicolov e Bellan observaram que seus grãos de gelo fofos rapidamente se tornaram carregados negativamente porque os elétrons no plasma se movem muito mais rápido do que seus equivalentes iônicos carregados positivamente. "Eles são tão fofos que sua relação carga/massa é muito alta, então as forças elétricas são muito mais importantes do que as forças gravitacionais", explica Bellan. Como resultado, a gravidade — que domina em outros experimentos, fazendo com que os grãos sólidos se depositem no fundo das câmaras de teste — deixa de ser o principal fator de movimento.

Em vez disso, os grãos de gelo fofos se dispersaram por todo o plasma na câmara e sofreram o que Nicolov descreve como um "movimento complexo que parece desafiar a gravidade". Os grãos de gelo subiam e desciam, giravam e rodopiavam em vórtices por todo o plasma de maneiras difíceis de prever. Isso permaneceu válido mesmo para grãos de gelo que cresceram a tamanhos relativamente grandes, centenas de vezes maiores do que as esferas de plástico sólido usadas anteriormente. Na verdade, os pesquisadores afirmam que a textura fofa aumenta à medida que os grãos crescem.

Nicolov especifica que "a estrutura microscópica e esponjosa dos grãos influencia o movimento de toda a nuvem de grãos e do plasma". Os grãos são altamente confinados dentro do plasma por um campo elétrico direcionado para o interior e, como são todos carregados negativamente, repelem-se mutuamente, tendendo a se espaçar uniformemente e não colidindo. Sua esponjosidade faz com que interajam com o gás neutro circundante como uma pena ao vento.

Bellan afirma que esse comportamento pode ajudar a explicar como grãos fofos com cargas semelhantes interagem em ambientes astrofísicos, como os anéis de Saturno e nuvens moleculares. Ele acrescenta que, como os grãos têm grandes áreas de superfície e altas relações carga/massa, eles podem atuar como intermediários capazes de transferir momento de campos elétricos para o gás neutro ao seu redor. "Você poderia criar um vento onde o campo elétrico empurra os grãos de poeira, que então empurram o gás neutro", diz ele. Os minúsculos grãos fofos, portanto, podem até ser responsáveis ??pelo fluxo de gás e poeira pela galáxia.

As descobertas também podem ser úteis na fabricação de semicondutores, onde a poeira formada espontaneamente dentro de plasmas industriais pode se depositar em minúsculos componentes dos chips eletrônicos em fabricação, tornando-os inutilizáveis. Compreender o crescimento fractal e o movimento dos grãos dentro de sistemas de plasma pode aprimorar as estratégias para controlá-los ou removê-los. "Se você quiser controlar os grãos, precisa levar em conta essa natureza fractal", afirma Nicolov.

Juntamente com Bellan e Nicolov, o ex-bolsista de pós-doutorado do Caltech, Seth Pree, também é autor do artigo "Dinâmica de Grãos de Gelo Fractal em Plasmas Criogênicos". O trabalho foi financiado pela Fundação Nacional de Ciência (NSF) e pela Parceria NSF/Departamento de Energia em Ciência e Engenharia de Plasma.