För första gången, ingenjörer på Caltech har skapat en stabil ring av plasma i det fria – i huvudsak fångar blixten i en flaska, men utan flaskan.

Materia kan existera i fyra distinkta faser:fast, flytande, gas, och plasma. Plasma är gjorda av laddade partiklar – joner och elektroner – och förekommer naturligt på jorden som blixtar, i väderfenomenet som kallas St. Elmo's fire (där glödande ljuskulor ibland dyker upp på spetsiga föremål under stormar), och i konstgjorda föremål som fluorescerande glödlampor och plasmaskärbrännare.

Vanligtvis, plasma har inte tydligt definierade egna former. Blixten följer en väg med minsta motstånd genom luften, skapa vilt gaffelstrukturer, medan konstgjorda plasma är begränsade av vakuumkammare eller elektromagnetiska fält.

Som sådan, Morteza (Mory) Gharib (PhD '83), Hans W. Liepmann professor i flygteknik och bioinspirerad teknik vid Caltech, säger att han blev förvånad när han och hans team kunde generera en stabil ring av plasma i fria luften med bara en ström av vatten och en kristallplatta. Deras resultat kommer att publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences veckan den 13 november.

"Vi fick höra av några kollegor att detta inte ens var möjligt. Men vi kan skapa en stabil ring och behålla den så länge vi vill, inget vakuum eller magnetfält eller något, " säger medförfattaren Francisco Pereira vid Marine Technology Research Institute i Italien, en gästforskare vid Caltech.

Vattenströmmen är en strålsprängning med en diameter på 85 mikron från ett specialdesignat munstycke på 9, 000 pund per kvadrattum som träffar kristallplattan med en anslagshastighet på cirka 1, 000 fot per sekund. Som referens, det är en bäck som är smalare än ett människohår som rör sig ungefär lika snabbt som en kula som avfyras från en pistol.

I deras studie, Gharib och hans team experimenterade med både kristallplattor av kvarts och litiumniobat, som var och en kan inducera den triboelektriska effekten - där en elektrisk laddning byggs upp på grund av friktion med ett annat material. När strålen träffar kristallen, vattnet skapar en jämn, laminärt flöde av positivt laddade joner över den negativt laddade ytan. Vid skjuvningsområdet, där bäcken träffar ytan och rinner ut över den, den triboelektriska effekten utlöser ett högt flöde av elektroner genom vattnet till dess yta. Detta flöde av elektroner joniserar atomerna och molekylerna i den omgivande gasen nära vattenytan, skapa en munk, eller torus, av glödande plasma som är dussintals mikrometer i diameter och synlig i mikroskop.

Gharib och hans team avfyrade vattenstrålen mot ytor med olika texturer och fann att ju jämnare ytan, desto tydligare är plasmaringens struktur. Ringen är stabil, och så länge vattnet fortsätter att rinna, ringen behåller sin form och storlek.

Dessutom, ingenjörer som arbetade med plasma märkte att deras mobiltelefoner stötte på höga nivåer av radiofrekvensbrus – statiskt – medan de var i samma rum som experimentet. Det visar sig att plasmaringen sänder ut distinkta radiofrekvenser. "Det har aldrig setts förut. Vi tror att det beror på piezoegenskaperna hos materialen som vi använde i våra experiment, " Pereira säger, hänvisar till materialens förmåga att vara elektriskt polariserad genom mekanisk påkänning - i detta fall, vattenflödet.

Gharib har ansökt om patent på den torusgenererande tekniken. Även om det inte har några omedelbara kommersiella tillämpningar, förmågan att generera en stabil ring av plasma utan kraftfulla elektromagnetiska fält eller vakuum antyder möjlig användning av plasmastrukturer för att lagra energi, säger Gharib.

Uppsatsen har titeln "Toroidal plasmoidgenerering via extrem hydrodynamisk skjuvning."