Quando se pensa em plasma, geralmente associamos o fenômeno a ambientes extremamente quentes, como o Sol, relâmpagos ou processos de soldagem. No entanto, há situações em que partículas geladas também estão presentes no contexto do plasma.

Imagens captadas pelo Telescópio Espacial James Webb revelam nuvens moleculares distantes, onde ocorre a interação entre calor e frio, com poeira congelada iluminada por bolsões de gás aquecido e estrelas recém-nascidas.

Recentemente, uma equipe de pesquisadores da Caltech conseguiu reproduzir, em laboratório, um sistema de plasma extremamente frio. O grupo criou um plasma no qual elétrons e íons positivos coexistem entre eletrodos ultrafrios, em um ambiente de gás neutro. Ao injetar vapor d'água, observaram a formação espontânea de pequenos grãos de gelo.

O comportamento desses grãos foi estudado com o auxílio de uma câmera equipada com lente de microscópio de longa distância. Para surpresa da equipe, os grãos formados eram extremamente "fofos" e apresentavam crescimento em estruturas fractais — ramificações e formas irregulares que se repetem em diferentes escalas. Essa característica resultou em uma física inesperada.

Os resultados do estudo foram publicados na revista Physical Review Letters, tendo como autor principal o estudante de pós-graduação André Nicolov, da Caltech.

"A fofura dos grãos tem consequências importantes", afirma Paul Bellan, professor de física aplicada da Caltech. "Os grãos irregulares, mesmo ao crescerem, possuem muito menos massa do que um grão sólido esférico. Em experimentos anteriores de plasma poeirento, normalmente são usados minúsculos grãos sólidos esféricos de plástico."

Os pesquisadores notaram que os grãos de gelo fofos rapidamente adquiriram carga negativa, pois os elétrons do plasma se movem muito mais rápido que os íons positivos.

"Eles são tão fofos que a relação carga-massa é muito alta, tornando as forças elétricas muito mais relevantes que as forças gravitacionais", explica Bellan. Assim, ao contrário de outros experimentos, a gravidade deixa de ser o principal fator de movimento, já que, normalmente, grãos sólidos se depositam no fundo das câmaras de teste.

Em vez disso, os grãos de gelo fofos se dispersaram pelo plasma e exibiram, segundo Nicolov, um "movimento complicado que parece desafiar a gravidade". Eles oscilavam para cima e para baixo, giravam e rodopiavam em vórtices de formas imprevisíveis. Esse comportamento persistiu mesmo quando os grãos cresceram e ficaram centenas de vezes maiores que as esferas plásticas usadas anteriormente. De acordo com os pesquisadores, a "fofura" aumenta à medida que os grãos crescem.

Nicolov destaca que "a estrutura fofa microscópica dos grãos impacta o movimento de toda a nuvem de grãos e do plasma". Os grãos permanecem altamente confinados dentro do plasma por um campo elétrico voltado para o interior e, por serem todos negativamente carregados, repelem-se mutuamente, mantendo espaçamento uniforme e evitando colisões. Sua leveza faz com que interajam com o gás neutro ao redor como penas ao vento.