實驗發現反重力蓬松太空冰晶，或將為半導體工業除塵提供新思路

美國研究人員在實驗室重現了深空中的奇異環境——冰冷塵埃、電離氣體與極寒溫度共存的狀態后，首次觀察到等離子體中的一種新現象。這項研究有望幫助半導體行業更好地控制工業等離子體中產生的粉塵污染。

在加州理工學院的實驗室中，科研團隊成功復現了新生恒星周圍、行星環內部以及巨大分子云中存在的極寒帶電環境。他們驚訝地發現，在低溫等離子體腔室內，微小的冰晶顆粒逐漸生長成精致的雪花狀分形結構。這些結構仿佛不受重力約束，在等離子體中漂移、旋轉、彈跳。

這項由加州理工學院研究生安德烈·尼科洛夫和等離子體物理學家保羅·貝蘭博士共同領導的研究，可能重塑人們對宇宙及工業等離子體系中帶電塵埃行為的認知。

反重力現象

研究人員在基本中性的氣體環境中，通過超冷電極產生了電子與正離子組成的等離子體。他們注入水蒸氣后，利用長焦顯微鏡鏡頭觀察到冰晶的自發形成。

這些冰晶因其蓬松的分形結構迅速積累高速運動的電子，從而帶負電。與常規固體顆粒不同，它們并未沉降至腔室底部。貝蘭指出："事實證明，顆粒的蓬松度具有關鍵影響。它們的結構如此松散，以至于荷質比極高，電力作用遠比重力顯著。"

顆粒反而在等離子體中擴散，并開始上下浮動、在渦流中旋轉飛舞。尼科洛夫稱這種現象"極其復雜"且難以預測。即便冰晶尺寸增長到此前所用實心塑料球的數百倍，這種運動仍持續存在，且顆粒越大結構越蓬松。

尼科洛夫強調："微粒的微觀蓬松結構影響著整個顆粒云和等離子體的運動。" 這些顆粒被向內作用的電場束縛在等離子體中。

意料之外的動力學

由于所有顆粒均帶負電，它們相互排斥、擴散且不發生碰撞。研究團隊發現，其蓬松結構使它們能像風中的羽毛般在中性氣體中飄蕩。研究人員認為，該發現有助于理解天體物理中帶電冰晶相互作用的塵埃環境，例如土星環、恒星形成分子云和原行星盤。

由于這些顆粒具有大表面積和高荷質比，它們能作為中介，將動量從電場傳遞至周圍中性氣體。貝蘭解釋："可以形成這樣一種'風'：電場推動塵埃顆粒，繼而推動中性氣體。" 他甚至推測這些微小蓬松顆粒可能主導著星系中氣體與塵埃的流動。

尼科洛夫表示，該發現對半導體制造也有啟示意義。工業等離子體內形成的粉塵若沉降到精密芯片上會導致損壞，理解其生長和運動機制將有助于優化控制與清除方案。他在新聞稿中總結道："若要控制這些顆粒，必須考慮其分形特性。"

該研究已發表于《物理評論快報》。

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