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Investigadores en Estados Unidos han descubierto recientemente un nuevo comportamiento en los plasmas tras recrear las extrañas condiciones que se dan en el espacio profundo, donde el polvo helado, el gas electrificado y las temperaturas gélidas colisionan.

En el laboratorio, el equipo de científicos del Instituto de Tecnología de California (Caltech) reprodujo los ambientes fríos y cargados eléctricamente que se encuentran alrededor de estrellas recién nacidas, en los anillos planetarios y dentro de vastas nubes moleculares.

Para su sorpresa, dentro de su cámara de plasma criogénico, los diminutos granos crecieron hasta formar delicadas estructuras fractales similares a copos de nieve, que luego se desplazaron, giraron y rebotaron a través del plasma como si la gravedad apenas existiera.

El estudio, liderado por André Nicolov, estudiante de posgrado (MS ’22) de Caltech, y Paul Bellan, doctor en física del plasma de la universidad, podría cambiar la comprensión del comportamiento del polvo cargado tanto en el universo como en los sistemas de plasma industriales.

Desafiando la gravedad

Dentro de un entorno predominantemente de gas neutro, los investigadores produjeron un plasma de electrones e iones positivos entre electrodos ultrarréfrigerados. Introdujeron vapor de agua y observaron la formación espontánea de granos de hielo utilizando un objetivo de microscopio de larga distancia.

Posteriormente, observaron que los granos se cargaron rápidamente de forma negativa a medida que los electrones de alta velocidad se acumulaban en sus estructuras fractales y esponjosas. Como resultado, no se asentaron en el fondo de la cámara como lo harían las partículas sólidas normales.

“Resulta que la esponjosidad de los granos tiene consecuencias importantes”, afirmó Bellan. “Son tan esponjosos que su relación carga-masa es muy alta, por lo que las fuerzas eléctricas son mucho más importantes que las fuerzas gravitatorias”.

En cambio, los granos se dispersaron por todo el plasma y comenzaron a flotar hacia arriba y hacia abajo, girando y arremolinándose en vórtices, un fenómeno que Nicolov describió como “complicado” y difícil de predecir.

Este comportamiento continuó incluso para granos de hielo que se expandieron a tamaños cientos de veces mayores que las esferas de plástico sólido utilizadas previamente. Cuanto más grandes se volvían los granos, más esponjosa se volvía su estructura.

“La estructura microscópica y esponjosa de los granos impacta en el movimiento de toda la nube de granos y del plasma”, señaló Nicolov. Los granos quedaron atrapados dentro del plasma por un campo eléctrico que apuntaba hacia adentro.

Dinámicas inesperadas

Debido a que todos están cargados negativamente, los granos se repelían entre sí, dispersándose sin colisionar. Según el equipo, su estructura esponjosa les hacía desplazarse a través del gas neutro como plumas al viento.

Creen que estos hallazgos podrían ayudarles a comprender mejor los entornos polvorientos en la astrofísica, donde interactúan los granos de hielo cargados. Estos incluyen regiones como los anillos de Saturno, las nubes moleculares formadoras de estrellas y los discos protoplanetarios.

Dado que los granos tienen grandes superficies y altas relaciones carga-masa, pueden actuar como intermediarios, transfiriendo el impulso de los campos eléctricos al gas neutro que los rodea.

“Se podría crear un viento donde el campo eléctrico empuja los granos de polvo, que a su vez empujan el gas neutro”, afirmó Bellan. Añadió que estos diminutos granos esponjosos podrían incluso ser responsables de las corrientes de gas y polvo que atraviesan la galaxia.

Nicolov señaló que los hallazgos también podrían ayudar en la fabricación de semiconductores, donde el polvo que se forma dentro de los plasmas industriales puede asentarse sobre las diminutas características de los chips y arruinarlos.

Comprender cómo crecen y se mueven podría ayudar a mejorar su control y eliminación. “Si quieres controlar los granos, tienes que tener en cuenta esta naturaleza fractal”, concluyó Nicolov en un comunicado de prensa.

El estudio ha sido publicado en la revista Physical Review Letters.