美國的研究人員最近在實驗室中發現了一種新的等離子體行為，這是通過重現深空中的奇特條件來實現的。在那裡，冰冷的灰塵、帶電的氣體和極低的溫度發生碰撞。加州理工學院（Caltech）的科學團隊成功模擬了新生恆星周圍、行星環以及巨大分子雲中的寒冷及帶電環境。他們驚訝地發現，在他們的低溫等離子體室內，微小的顆粒形成了精緻的雪花狀分形結構，隨後在等離子體中漂浮、旋轉和彈跳，彷彿重力幾乎不存在。
這項研究由加州理工學院的研究生 André Nicolov 和等離子體物理學家 Paul Bellan 博士領導，可能會改變對宇宙中帶電灰塵行為的理解，並對工業等離子體系統的研究有所啟發。在一個基本上中性的氣體環境中，研究人員在超冷電極之間產生了電子和正離子等離子體。他們引入水蒸氣，並使用長距離顯微鏡觀察到冰顆粒的自發形成。接著，他們發現這些顆粒迅速變得帶負電，因為快速移動的電子聚集在其蓬鬆的分形結構上。
這使得這些顆粒並沒有像固體顆粒那樣沉降到底部。Bellan 表示，顆粒的蓬鬆性質具有重要意義。它們的電荷與質量比非常高，因此電力的影響遠大於重力。顆粒在等離子體中分散，開始上下浮動，旋轉並在漩渦中旋轉，Nicolov 形容這一現象複雜且難以預測。即使是擴展到比以前所用的固體塑料球大數百倍的冰顆粒，這種行為依然持續。
顆粒的結構越大，它們的蓬鬆程度越高。Nicolov 指出，顆粒的微觀蓬鬆結構影響了整個顆粒雲和等離子體的運動。這些顆粒被向內指向的電場所束縛。由於它們都是帶負電的，顆粒之間相互排斥，彼此分散而不發生碰撞。研究團隊表示，它們的蓬鬆結構使它們像風中的羽毛一樣在中性氣體中漂流。
這些發現可能有助於更好地理解天體物理學中的多塵環境，其中帶電的冰顆粒相互作用。這些區域包括土星環、恆星形成的分子雲以及原行星盤。由於顆粒具有較大的表面積和高電荷質量比，它們能夠作為中介，將動量從電場轉移到周圍的中性氣體中。
Bellan 表示，電場可以推動灰塵顆粒，進而推動中性氣體。他補充說，這些微小而蓬鬆的顆粒甚至可能負責氣體和灰塵在銀河系中的流動。Nicolov 指出，這些發現還可能有助於半導體製造，因為在工業等離子體中形成的灰塵可能會沉積到微小的晶片特徵上並損壞它們。了解這些顆粒的增長和運動方式，將有助於改善對它們的控制和去除。
如果要控制這些顆粒，就必須考慮到它們的分形特性。這項研究已發表在《物理評論快報》期刊上。
