Pesquisadores criam grãos de gelo que desafiam a gravidade e revelam nova dinâmica do plasma (VÍDEOS)

Imagens de nuvens moleculares distantes do Telescópio Espacial James Webb mostram interações quente-frio, com poeira congelada iluminada por bolsas de gás chocado e estrelas recém-nascidas.

Recentemente, uma equipe de pesquisadores da Caltech conseguiu recriar um sistema de plasma tão gelado no laboratório. Eles criaram um plasma no qual elétrons e íons carregados positivamente existem entre eletrodos ultrafrios dentro de um ambiente de gás neutro, injetaram vapor d'água, e observaram como pequenos grãos de gelo se formavam espontaneamente.

Cientistas estudaram o comportamento dos grãos usando uma câmera com uma lente de microscópio de longa distância. A equipe ficou surpresa ao descobrir que grãos extremamente "fofos" se desenvolveram nessas condições e cresceram em formas fractais –ramificações, estruturas irregulares que são autossimilares em várias escalas. E essa estrutura leva a uma física inesperada.

Os cientistas descrevem seu trabalho em um artigo na revista Physical Review Letters. O autor principal do artigo é o estudante de pós-graduação da Caltech André Nicolov.

"Acontece que a fofura dos grãos tem consequências importantes", diz Paul Bellan, professor de física aplicada da Caltech. Uma vez tal consequência é que os grãos irregulares, mesmo quando crescem, contêm muito menos massa do que, digamos, um grão sólido esférico. E, de fato, quando outros cientistas estudam sistemas de 'plasma poeirento' eles normalmente injetam minúsculos grãos sólidos esféricos de plástico no plasma", disse Bellan.

Pesquisadores observaram que os grãos de gelo fofos rapidamente se tornaram carregados negativamente porque os elétrons no plasma se movem muito mais rápido do que suas contrapartes iônicas carregadas positivamente.

"Eles são tão fofos que a 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 assentem no fundo das câmaras de teste, não é mais o principal impulsionador do movimento.

Em vez disso, os grãos de gelo fofos dispersaram-se por todo o plasma na câmara e passaram pelo que Nicolov descreve como um "movimento complicado que parece desafiar a gravidade". Os grãos de gelo balançavam para cima e para baixo, giravam e rodavam em vórtices por todo o plasma de maneiras que eram difíceis de prever. Isso permaneceu verdade mesmo quando os grãos de gelo cresceram para tamanhos relativamente grandes, centenas de vezes maiores do que as esferas plásticas sólidas usadas anteriormente. Na verdade, dizem os pesquisadores, a fofura aumenta à medida que os grãos crescem.

Nicolov especifica que "a estrutura fofa microscópica dos grãos impacta o movimento de toda a nuvem de grãos e do plasma". Os grãos são altamente confinados dentro do plasma por um campo elétrico dirigido para o interior, e porque eles são todos carregados negativamente, eles repelem uns aos outros e tendem a espaçar-se uniformemente e não colidem. Sua fofura faz com que interajam com o gás neutro circundante como uma pena no vento.

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