Un tore de plasma, vu d'en haut. La bague est créée par un jet d'eau frappant une plaque de cristal. Crédit :Mory Gharib/Caltech
Pour la première fois, les ingénieurs de Caltech ont créé un anneau de plasma stable à l'air libre, capturant essentiellement la foudre dans une bouteille, mais sans la bouteille.
La matière peut exister en quatre phases distinctes :solide, liquide, gaz, et plasma. Les plasmas sont constitués de particules chargées (ions et électrons) et se produisent naturellement sur Terre sous forme de foudre, dans le phénomène météorologique appelé feu de Saint-Elme (dans lequel des boules de lumière rougeoyantes apparaissent parfois sur des objets pointus pendant les tempêtes), et dans les objets fabriqués par l'homme tels que les ampoules fluorescentes et les torches de coupage plasma.
D'habitude, les plasmas n'ont pas de formes clairement définies qui leur sont propres. La foudre suit un chemin de moindre résistance dans l'air, créer des structures follement bifurquantes, tandis que les plasmas artificiels sont limités par des chambres à vide ou des champs électromagnétiques.
En tant que tel, Morteza (Mory) Gharib (PhD '83), le professeur Hans W. Liepmann d'aéronautique et d'ingénierie bioinspirée à Caltech, dit qu'il a été surpris quand lui et son équipe ont pu générer un anneau de plasma stable à l'air libre en utilisant simplement un jet d'eau et une plaque de cristal. Leurs conclusions seront publiées dans le Actes de l'Académie nationale des sciences la semaine du 13 novembre.
"Certains collègues nous ont dit que ce n'était même pas possible. Mais nous pouvons créer un anneau stable et le maintenir aussi longtemps que nous le voulons, pas de vide ou de champ magnétique ou quoi que ce soit, " déclare le co-auteur Francisco Pereira du Marine Technology Research Institute en Italie, chercheur invité à Caltech.
Le jet d'eau est un jet de 85 microns de diamètre provenant d'une buse spécialement conçue à 9, 000 livres par pouce carré qui frappe la plaque de cristal avec une vitesse d'impact d'environ 1, 000 pieds par seconde. Pour référence, c'est un ruisseau plus étroit qu'un cheveu humain se déplaçant aussi vite qu'une balle tirée d'une arme de poing.
Dans leur étude, Gharib et son équipe ont expérimenté à la fois des plaques de cristal de quartz et de niobate de lithium, dont chacun peut induire l'effet triboélectrique, dans lequel une charge électrique s'accumule à cause du frottement avec un autre matériau. Quand le jet frappe le cristal, l'eau crée une douceur, flux laminaire d'ions chargés positivement à travers la surface chargée négativement. Dans la région de cisaillement, où le ruisseau frappe la surface et s'écoule vers l'extérieur à travers elle, l'effet triboélectrique déclenche un flux élevé d'électrons à travers l'eau jusqu'à sa surface. Ce flux d'électrons ionise les atomes et les molécules du gaz environnant près de la surface de l'eau, créer un beignet, ou tore, de plasma incandescent de plusieurs dizaines de microns de diamètre et visible au microscope.
Gharib et son équipe ont tiré le jet d'eau sur des surfaces de textures différentes et ont constaté que plus la surface était lisse, plus la structure de l'anneau de plasma est claire. L'anneau est stable, et tant que l'eau continue de couler, l'anneau conserve sa forme et sa taille.
L'illustration montre comment la bague est créée, dans le profil. Dans la région de cisaillement, l'écoulement de l'eau induit l'effet triboélectrique dans le cristal, créant une charge électrique qui traverse l'eau jusqu'à sa surface. Crédit :Mory Gharib/Caltech
En outre, les ingénieurs travaillant avec le plasma ont remarqué que leurs téléphones portables rencontraient des niveaux élevés de bruit de radiofréquence - statique - alors qu'ils se trouvaient dans la même pièce que l'expérience. Il s'avère que l'anneau de plasma émet des fréquences radio distinctes. "Cela n'a jamais été vu auparavant. Nous pensons que c'est à cause des propriétés piézo des matériaux que nous avons utilisés dans nos expériences, " Pereira dit, se référant à la capacité des matériaux à être polarisés électriquement par des contraintes mécaniques - dans ce cas, l'écoulement de l'eau.
Gharib a déposé un brevet sur la technique de génération de tore. Bien qu'il n'ait pas d'applications commerciales immédiates, la capacité de générer un anneau de plasma stable sans champs électromagnétiques puissants ni vide suggère l'utilisation possible de structures de plasma pour stocker de l'énergie, dit Gharib.
L'article s'intitule "Génération de plasmoïde toroïdal via un cisaillement hydrodynamique extrême".
