实验发现反重力蓬松太空冰晶，或将为半导体工业除尘提供新思路

美国研究人员在实验室重现了深空中的奇异环境——冰冷尘埃、电离气体与极寒温度共存的状态后，首次观察到等离子体中的一种新现象。这项研究有望帮助半导体行业更好地控制工业等离子体中产生的粉尘污染。

在加州理工学院的实验室中，科研团队成功复现了新生恒星周围、行星环内部以及巨大分子云中存在的极寒带电环境。他们惊讶地发现，在低温等离子体腔室内，微小的冰晶颗粒逐渐生长成精致的雪花状分形结构。这些结构仿佛不受重力约束，在等离子体中漂移、旋转、弹跳。

这项由加州理工学院研究生安德烈·尼科洛夫和等离子体物理学家保罗·贝兰博士共同领导的研究，可能重塑人们对宇宙及工业等离子体系中带电尘埃行为的认知。

反重力现象

研究人员在基本中性的气体环境中，通过超冷电极产生了电子与正离子组成的等离子体。他们注入水蒸气后，利用长焦显微镜镜头观察到冰晶的自发形成。

这些冰晶因其蓬松的分形结构迅速积累高速运动的电子，从而带负电。与常规固体颗粒不同，它们并未沉降至腔室底部。贝兰指出："事实证明，颗粒的蓬松度具有关键影响。它们的结构如此松散，以至于荷质比极高，电力作用远比重力显著。"

颗粒反而在等离子体中扩散，并开始上下浮动、在涡流中旋转飞舞。尼科洛夫称这种现象"极其复杂"且难以预测。即便冰晶尺寸增长到此前所用实心塑料球的数百倍，这种运动仍持续存在，且颗粒越大结构越蓬松。

尼科洛夫强调："微粒的微观蓬松结构影响着整个颗粒云和等离子体的运动。" 这些颗粒被向内作用的电场束缚在等离子体中。

意料之外的动力学

由于所有颗粒均带负电，它们相互排斥、扩散且不发生碰撞。研究团队发现，其蓬松结构使它们能像风中的羽毛般在中性气体中飘荡。研究人员认为，该发现有助于理解天体物理中带电冰晶相互作用的尘埃环境，例如土星环、恒星形成分子云和原行星盘。

由于这些颗粒具有大表面积和高荷质比，它们能作为中介，将动量从电场传递至周围中性气体。贝兰解释："可以形成这样一种'风'：电场推动尘埃颗粒，继而推动中性气体。" 他甚至推测这些微小蓬松颗粒可能主导着星系中气体与尘埃的流动。

尼科洛夫表示，该发现对半导体制造也有启示意义。工业等离子体内形成的粉尘若沉降到精密芯片上会导致损坏，理解其生长和运动机制将有助于优化控制与清除方案。他在新闻稿中总结道："若要控制这些颗粒，必须考虑其分形特性。"

该研究已发表于《物理评论快报》。

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