I fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hanno trovato un modo per prevenire il plasma, il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, dal causare cortocircuiti in macchine come i propulsori di veicoli spaziali, amplificatori radar, e acceleratori di particelle. Nei risultati pubblicati online in Rivista di fisica applicata , Charles Swanson e Igor Kaganovich riferiscono che l'applicazione di strutture microscopiche che assomigliano a piume e baffi alle superfici all'interno di queste macchine le mantiene operative al massimo delle prestazioni.

I fisici calcolarono che minuscole fibre chiamate "frattali, " perché hanno lo stesso aspetto se visti su scale diverse, può intrappolare gli elettroni rimossi dalle superfici interne da altri elettroni che si avvicinano dal plasma. I ricercatori si riferiscono agli elettroni di superficie dislocati come "emissioni di elettroni secondari" (SEE); intrappolarli impedisce a tali particelle di provocare corrente elettrica che interferisce con le funzioni delle macchine.

Basandosi su esperimenti precedenti

Questo lavoro si basa su esperimenti precedenti che mostrano che le superfici con trame in fibra possono ridurre la quantità di emissione di elettroni secondari. Ricerche precedenti hanno indicato che le superfici con fibre semplici chiamate "velluto" prive di rami simili a piume possono impedire a circa il 50 percento degli elettroni secondari di fuoriuscire nel plasma. Il velluto intrappola solo la metà di tali elettroni, poiché se gli elettroni del plasma colpiscono le fibre con un angolo ridotto, gli elettroni secondari possono rimbalzare senza ostacoli.

"Quando abbiamo guardato il velluto, abbiamo osservato che non sopprimeva bene il SEE dagli elettroni incidenti superficialmente, "Swanson ha detto. "Così abbiamo aggiunto un altro set di fibre per sopprimere i restanti elettroni secondari e l'approccio frattale sembra funzionare bene".

La nuova ricerca mostra che le fibre piumate possono catturare gli elettroni secondari prodotti dagli elettroni che si avvicinano da un angolo poco profondo. Di conseguenza, le fibre frattali possono ridurre l'emissione di elettroni secondari fino all'80%.

Swanson e Kaganovich hanno verificato i risultati eseguendo calcoli al computer che hanno confrontato trame di velluto e piume frattali. "Abbiamo simulato numericamente l'emissione di elettroni secondari, inizializzando molte particelle e permettendo loro di seguire la balistica, traiettorie rettilinee fino ad interagire con la superficie, "Swanson ha detto. "Era evidente che l'aggiunta di baffi ai lati dei baffi primari riduceva drasticamente la resa di elettroni secondari".

Brevetto provvisorio

I due scienziati hanno ora un brevetto provvisorio sulla tecnica della trama piumata. Questa ricerca è stata finanziata dall'Air Force Office of Scientific Research, e segue un lavoro sperimentale simile svolto al PPPL da altri fisici. Nello specifico, Evgenij Raitses, lavorare presso PPPL; Marlene Patino, uno studente laureato presso l'Università della California, Los Angeles; e Angela Capece, un professore al College of New Jersey, hanno pubblicato nell'ultimo anno risultati sperimentali su come l'emissione di elettroni secondari è influenzata da diversi materiali e strutture delle pareti, sulla base della ricerca che hanno fatto al PPPL.