En studie av KAIST-forskare visade att en joniserad gasstråle som blåser på vatten, även känd som en 'plasmajet, " ger en mer stabil interaktion med vattenytan jämfört med en neutral gasstråle. Detta fynd rapporterades i 1 april-numret av Natur kommer att bidra till att förbättra den vetenskapliga förståelsen av plasma-vätskeinteraktioner och deras praktiska tillämpningar inom ett brett spektrum av industriella områden där vätskekontrollteknik används, inklusive biomedicinsk teknik, kemisk produktion, och jordbruk och livsmedelsteknik.

Gasstrålar kan skapa gropliknande fördjupningar i vätskeytor, och detta fenomen är bekant för alla som har sett håligheten som produceras genom att blåsa luft genom ett sugrör direkt ovanför en kopp juice. När gasstrålens hastighet ökar, håligheten blir instabil och börjar bubbla och stänka.

"Att förstå de fysikaliska egenskaperna hos interaktioner mellan gaser och vätskor är avgörande för många naturliga och industriella processer, såsom vinden som blåser över havets yta, eller ståltillverkningsmetoder som involverar att blåsa syre över toppen av smält järn, " förklarade professor Wonho Choe, en fysiker från KAIST och motsvarande författare till studien.

Dock, trots dess vetenskapliga och praktiska betydelse, lite är känt om hur gasblåsta vätskehåligheter deformeras och destabiliseras.

I den här studien, en grupp KAIST-fysiker ledda av professor Choe och teamets medarbetare från Chonbuk National University i Korea och Jožef Stefan Institute i Slovenien undersökte vad som händer när en joniserad gasjet, även känd som en 'plasmajet, " blåser över vatten. En plasmastråle skapas genom att anbringa hög spänning på ett munstycke när gas strömmar genom det, vilket gör att gasen blir svagt joniserad och får fritt rörliga laddade partiklar.

Forskargruppen använde en optisk teknik kombinerad med höghastighetsavbildning för att observera profilerna för vattenytans håligheter som skapas av både neutrala heliumgasstrålar och svagt joniserade heliumgasstrålar. De utvecklade också en beräkningsmodell för att matematiskt förklara mekanismerna bakom deras experimentella upptäckt.

Forskarna visade för första gången att en joniserad gasstråle har en stabiliserande effekt på vattenytan. De fann att vissa krafter som utövas av plasmastrålen gör vattenytan mer stabil, vilket innebär att det är mindre bubblande och stänk jämfört med hålrummet som skapas av en neutral gasstråle.

Specifikt, studien visade att plasmastrålen består av pulserande vågor av gasjonisering som utbreder sig längs vattenytan så kallade 'plasmakulor' som utövar mer kraft än en neutral gasstråle, gör hålrummet djupare utan att bli destabiliserat.

"Det här är första gången som detta fenomen har rapporterats, och vår grupp betraktar detta som ett viktigt steg framåt i vår förståelse av hur plasmastrålar interagerar med vätskeytor. Vi planerar nästa att utöka denna upptäckt genom fler fallstudier som involverar olika plasma- och vätskeegenskaper, sa professor Choe.