Seit Jahrhunderten ist statischer Strom Gegenstand von Intrigen und wissenschaftlichen Untersuchungen. Jetzt haben Forscher der Waitukaitis Group des Institute of Science and Technology Österreich (ISTA) einen wichtigen Hinweis auf dieses dauerhafte Geheimnis aufgedeckt: Die Kontaktgeschichte der Materialien kontrolliert, wie sie die Gebühren umtauschen. Die bahnbrechenden Erkenntnisse, die jetzt veröffentlicht werden in NaturErläutern Sie die vorherrschende Unvorhersehbarkeit der Kontaktelektrifizierung und enthüllen Sie Reihenfolge aus dem, was seit langem als Chaos angesehen wird.
Von einem winzigen elektrischen Ruck beim Berühren eines Türknaufs bis hin zu Styropor-Erdnüssen, die sich an das Fell einer schelmischen Katze festhalten-das bekannte und scheinbar einfache Phänomen statischer Elektrizität hat die Menschen seit der Antike verwirrt. Wie könnte dieser allgegenwärtige Effekt, der häufig verwickelten Kindern nachgewiesen wurde, indem sie einen Ballon an ihren Haaren reiben und von Wissenschaftlern immer noch nicht vollständig verstanden werden?
Die statische Elektrizität geht mit mehreren Namen aus, aber Wissenschaftler nennen es „Kontaktelektrifizierung“. Im Gegensatz zu dem, was der Name „statische Elektrizität“ implizieren könnte, ist die Essenz des Effekts nicht statisch, sondern beinhaltet die Bewegung, da einige Ladungen immer dann übertragen werden, wenn zwei elektrisch neutrale Materialien berühren. „Es gibt keinen entkommenen Kontaktelektrifizierung. Jeder erlebt es. Deshalb könnte es uns als Überraschung ergeben, dass wir nicht verstehen, wie genau es passiert“, sagt Scott Waitukaitis, Assistenzprofessor am Institut für Wissenschaft und Technologie Österreich ( ISta), der diese Arbeit mit dem ISta -PhD -Studenten Juan Carlos Sobarzo leitete. Jetzt hat das Team ein wichtiges Puzzleteil aufgedeckt, das jahrhundertelang unbekannt war: „Wir haben verschiedene Parameter getestet, die die Kontaktelektrifizierung beeinflussen könnten, aber keiner von ihnen konnte unsere Ergebnisse fest erklären. Wenden Sie sich an das Ladeverhalten?
„Ein totales Durcheinander“
Trotz der Allgegenwart des Phänomens ist es seit Jahrhunderten, zu verstehen, wie unterschiedliche Materialien die Kontaktelektrifizierung unterzogen werden. Während Wissenschaftler in der Lage waren, den Mechanismus für Metalle in den 1950er Jahren zu beschreiben, haben sich elektrische Isolatoren als schwieriger erwiesen – obwohl sie die Materialien sind, die die Ladung am meisten umtauschen. In der Vergangenheit haben mehrere Studien darauf hingewiesen, dass die Isolatoren aufgrund des Anzeichens der Ladung, den sie austauschen, von den positivsten bis zum Negativsten bestellt werden konnten. Wenn beispielsweise die Glaskosten für Keramik und Keramik in Holz gleichen wie Holz berechnen, dann ist Glas (normalerweise) für Holz. So würden Glas, Keramik und Holz eine sogenannte „triboelektrische Serie“ bilden.
Laut Waitukaitis ist das Problem mit diesen triboelektrischen Serien, dass verschiedene Forscher unterschiedliche Bestellungen erhalten, und manchmal auch derselbe Forscher erhält nicht die gleiche Bestellung, wenn sie ihr eigenes Experiment wiederholen. „Das Verständnis, wie Isoliermaterialien die Ladung ausgetauscht haben, schien sehr lange ein totales Chaos zu sein: Die Experimente sind sehr unvorhersehbar und können manchmal völlig zufällig erscheinen“, sagt er. Angesichts dieses „totalen Durcheinanders“ konnten Physiker und materielle Wissenschaftler kein Modell zustimmen, um den Mechanismus zu erklären. Um die Sache noch schlimmer zu machen, mussten sie mit der beunruhigenden Tatsache fertig werden, dass selbst identische Materialien wie zwei Luftballons die Ladung ausgetauscht hatten. Schließlich sollen die Materialien gleich sein. Was bestimmt also, wohin die Ladung führt?
Ordnung aus dem Chaos
Waitukaitis und Sobarzo haben damit gewetten, dass diese „gleichmaterialische“ Kontaktelektrifizierung die Schlüssel enthalten könnte, um den Effekt allgemeiner zu verstehen. Durch die Arbeit mit „identischen“ Materialien reduzierten sie die Anzahl der freien Variablen auf ein Minimum – sie mussten nur das finden, was die Stichproben unterschiedlich machte. Für ihr Material wählten sie Polydimethylsiloxan (PDMS)-ein eindeutiges Polymer auf Silikonbasis, aus dem sie plastische Blöcke herstellten.
Zu diesem Zeitpunkt war die führende Hypothese, warum identische Materialien ausgetauscht wurden, zufällige Variationen der Oberflächeneigenschaften. Frustrierend spiegelten die ersten Ergebnisse des Teams auch Zufälligkeit und Unvorhersehbarkeit wider. Sie haben die Kontaktgeschichte der Proben noch nicht vermutet, um eine Rolle zu spielen, und hatten verschiedene Bedingungen getestet, manchmal mit denselben Proben, die sich völlig nicht bewusst waren, dass sich diese mit jedem zusätzlichen Kontakt weiterentwickelten. Sie untersuchten, wo sie die Forschung annehmen sollten, und dachten daran, zu testen, ob identische PDMS -Proben in eine triboelektrische Serie ordnen würden. „Ich habe eine Reihe von Proben entnommen, die ich zur Hand hatte – damals würde ich sie für mehrere Experimente wiederverwenden – und zu meinem Unglauben sah ich, dass sie beim ersten Versuch in einer Serie bestellt haben“, sagt Sobarzo. Mit diesem unerwarteten Ergebnis versuchte das Team, das Experiment mit frischen Proben zu wiederholen, war jedoch schnell enttäuscht, um wieder zufällige Ergebnisse zu sehen. „Zu diesem Zeitpunkt hätten wir in das Handtuch werfen können“, sagt Sobarzo. „Ich habe mich jedoch entschlossen, am nächsten Tag erneut mit demselben Mustersatz zu versuchen. Die Ergebnisse sahen besser aus, also versuchte ich es bis zum fünften Versuch, die Proben in eine perfekte Serie zu versuchen.“ Sobarzo war gerade auf die Antwort gestoßen, warum die alten Proben beim ersten Versuch bearbeitet wurden. Der wiederholte Kontakt ermöglichte es irgendwie, dass die Proben sich weiterentwickeln. „Sobald wir die Kontaktgeschichte der Proben im Auge behalten, machten die Zufälligkeit und das Chaos einen vollkommenen Sinn“, sagt Waitukaitis. In der Tat stellte das Team fest, dass sich die Proben nach rund 200 Kontakten vorhersehbar verhalten hatten und dass die Probe mit dem niedrigeren Kontaktverlauf konsequent negativ auf diejenige geladen wurde. Die Forscher zeigten sogar, dass die PDMS-Proben zuverlässig eine „vorgezeichnete“ Triboelektrik-Reihe bilden könnten, wenn die Anzahl der Kontakte und die Reihenfolge der Experimente kontrolliert würden.
Eine glattere Oberfläche
Die Idee, dass die Kontaktverlauf einer Stichprobe die Art und Weise steuern konnte, wie sie berechnet wurde, wurde nie vorgeschlagen. Damit erklärt das Team, warum so viele Kontaktelektrifizierungsexperimente zufällig und unkontrollierbar erscheinen. Es bleibt jedoch eine Frage: Wie ändert der Akt des Kontakts die Proben? Daher drückte das Team vor und nach dem Kontakt mit verschiedenen oberflächenempfindlichen Techniken auf Proben weiter. Unter allen untersuchten Parametern lieferte nur einer einen Hinweis: Sie entdeckten diskrete Veränderungen in der Oberflächenrauheit der Materialien im nanoskopischen Maßstab. Konkretter zeigten sie, dass Kontakte die kleinsten Unebenheiten auf der Oberfläche eines Materials geglättet haben. Wie dies die Kontaktelektrifizierung verursacht, kennt das Team nicht, aber da es die einzige Änderung ist, die sie erkennen können, ist es sehr suggestiv. „Wir haben es geschafft, einen großen Hinweis auf einen schwer fassbaren Mechanismus aufzudecken, der für unser Verständnis von Elektrizität und Elektrostatik so grundlegend ist, und dennoch die Wissenschaftler so lange verwirrt“, sagt Sobarzo. Waitukaitis schließt und in der Lage, seine Aufregung kaum zu verbergen: „Wir haben gezeigt, dass die Wissenschaft des statischen Elektrizität nicht mehr so hoffnungslos ist.“
