I århundreder har statisk elektricitet været genstand for intriger og videnskabelig undersøgelse. Nu har forskere fra Waitukaitis -gruppen ved Institute of Science and Technology Østrig (ISTA) afsløret en vigtig ledetråd til dette vedvarende mysterium: Materialets kontakthistorie kontrollerer, hvordan de udveksler gebyr.
Resultaterne, der blev offentliggjort i Naturforklar den fremherskende uforudsigelighed ved kontaktelektrificering, afsløring af orden fra det, der længe har været betragtet som kaos.
Fra et lille elektrisk ry, når man rører ved en dørbeholder til styrofoam-jordnødder, der klæber til en rampete kattes pels-har det velkendte og tilsyneladende enkle fænomen med statisk elektricitet forundret mennesker siden antikken. Hvordan kunne denne allestedsnærværende virkning ofte demonstreret for bedazzled børn ved at gnide en ballon på deres hår, stadig ikke forstås helt af forskere?
Statisk elektricitet går med flere navne, men forskere foretrækker at kalde det “kontaktelektrificering.” I modsætning til hvad navnet “statisk elektricitet” kan antyde, er essensen af effekten ikke statisk, men inkluderer bevægelse, da en vis ladning overføres, når to elektrisk neutrale materialer berører.
“Der er ingen undslipende kontaktelektrificering; alle oplever den. Derfor kan det komme af som en overraskelse for os, at vi ikke forstår, hvordan det nøjagtigt sker,” siger Scott Waitukaitis, adjunkt ved Institut for Videnskab og Teknologi Østrig ( Ista) der førte dette arbejde sammen med Ista Ph.D. Student Juan Carlos Sobarzo.
Nu har holdet afsløret et vigtigt stykke af puslespillet, der havde været ukendt i århundreder. “Vi testede forskellige parametre, der kunne påvirke kontaktelektrificering af kontakt, men ingen af dem kunne forsvarligt forklare vores resultater. Det er her, vi stoppede for at tænke: Hvad hvis det er kontakt i sig selv, der påvirker opladningsadfærd? Ordet ‘kontakt’ er allerede i navnet, Alligevel er det blevet overset bredt, ”siger Sobarzo.
‘Et totalt rod’
På trods af fænomenets allestedsnærværende, har forståelse af, hvordan forskellige materialer gennemgår kontaktelektrificering, undgået fysikere og kemikere i århundreder. Mens forskere var i stand til at beskrive mekanismen for metaller i 1950’erne, har elektriske isolatorer vist sig vanskeligere at forstå – selvom de er de materialer, der udveksler, opkræver mest.
Historisk set har flere undersøgelser antydet, at isolatorer kunne bestilles baseret på tegnet på ladning, de udveksler, fra de mest positive til det mest negative. For eksempel, hvis glasafgifter positivt for keramik og keramik gør det samme med træ, lades glas (normalt) positivt mod træ. Således ville glas, keramik og træ danne en såkaldt “triboelektrisk serie.”
Problemet med disse triboelektriske serier er ifølge Waitukaitis, at forskellige forskere får forskellige ordre, og nogle gange får endda den samme forsker ikke den samme rækkefølge to gange, når de gentager deres eget eksperiment.
“At forstå, hvordan isolerende materialer udvekslede ladning, virkede som et totalt rod i meget lang tid: eksperimenterne er vildt uforudsigelige og kan undertiden virke helt tilfældige,” siger han.
I lyset af dette “samlede rod” kunne fysikere og materielle forskere ikke synes at blive enige om nogen model for at forklare mekanismen. For at gøre tingene værre, var de nødt til at klare den urolige kendsgerning, at selv identiske materialer, såsom to balloner, udvekslede ladning. Når alt kommer til alt skal materialerne være de samme, så hvad bestemmer, hvor ladningen går?
Bestil, der opstår fra kaos
Waitukaitis og Sobarzo satsede på, at dette “samme-materielle” kontaktelektrificering kunne holde nøglerne for at forstå effekten mere bredt.
Ved at arbejde med “identiske” materialer reducerede de antallet af gratis variabler til et minimum – de måtte bare finde den ene ting, der gjorde prøver forskellige. Til deres materiale valgte de polydimethylsiloxan (PDMS)-en klar silikonebaseret polymer, hvorfra de lavede plastlignende blokke.
På dette tidspunkt var den førende hypotese for, hvorfor identiske materialer udvekslet ladning, tilfældige variationer af overfladeegenskaber. Frustrerende reflekterede holdets oprindelige resultater også tilfældighed og uforudsigelighed.
Endnu ikke mistanke om prøvenes kontakthistorie for at spille en rolle, havde de testet forskellige forhold, undertiden ved hjælp af de samme prøver, helt uvidende om, at disse udviklede sig med hver ekstra kontakt. Undersøgelse af, hvor de skulle tage forskningen, tænkte de på at teste, om identiske PDMS -prøver ville bestille i en triboelektrisk serie.
“Jeg tog et sæt prøver, jeg havde ved hånden – tilbage så ville jeg genbruge dem til flere eksperimenter – og til min vantro så jeg, at de bestilte i en serie ved første forsøg,” siger Sobarzo.
Spændt over dette uventede resultat forsøgte teamet at gentage eksperimentet med friske prøver, men blev hurtigt skuffede over at se tilfældige resultater igen.
“På dette tidspunkt kunne vi have kastet håndklædet,” siger Sobarzo. “Jeg besluttede dog at prøve igen med det samme sæt prøver den næste dag. Resultaterne så bedre ud, så jeg forsøgte fortsat, indtil prøverne ved det femte forsøg bestilte prøverne til en perfekt serie.”
Sobarzo havde lige snublet over svaret på, hvorfor de gamle prøver arbejdede på første forsøg. Gentagen kontakt på en eller anden måde gjorde det muligt for prøverne at udvikle sig.
“Så snart vi begyndte at holde styr på prøvenes kontakthistorie, gav tilfældigheden og kaoset faktisk perfekt mening,” siger Waitukaitis.
Faktisk fandt teamet, at prøverne begyndte at opføre sig forudsigeligt efter omkring 200 kontakter, og at den mere “kontaktede” prøve konsekvent ladede sig negativt til den med den lavere kontakthistorie. Forskerne viste endda, at PDMS-prøverne pålideligt kunne danne en “foruddesignet” triboelektrisk serie, hvis antallet af kontakter og rækkefølgen af eksperimenter blev kontrolleret.
En glattere overflade
Ideen om, at en prøves kontakthistorie kunne kontrollere, hvordan den oplades, var aldrig blevet foreslået. Med dette forklarer teamet, hvorfor så mange kontaktelektrificeringseksperimenter forekommer tilfældige og ukontrollerbare.
Alligevel er der stadig et spørgsmål – hvordan ændrer kontakten prøverne? Så skubbede teamet videre ved hjælp af forskellige overfladfølsomme teknikker på prøver før og efter kontakt. Blandt alle de parametre, de undersøgte, leverede kun et tip overhovedet: De opdagede diskrete ændringer i materialers overfladegruppe i den nanoskopiske skala.
Mere konkret viste de, at kontakter udglattede de mindste buler på en materiales overflade. Hvordan dette forårsager kontaktelektrificering, holdet ikke ved, men da det er den eneste ændring, de kunne opdage, er det meget suggererende.
“Det lykkedes os at afsløre en stor anelse om en undvigende mekanisme, der er så grundlæggende for vores forståelse af elektricitet og elektrostatik og alligevel holdt forskere forundrede så længe,” siger Sobarzo.
Waitukaitis konkluderer, “Vi viste, at videnskaben om statisk elektricitet ikke er så håbløs længere.”