Hvorfor klæber det ved at gnide en ballon på dit hår?

I århundreder, forskere har forsøgt at forstå triboelektrisk opladning, almindeligvis kendt som statisk elektricitet.

Triboelektrisk opladning får toner fra en kopimaskine eller laserprinter til at klæbe til papir, og sandsynligvis lettet dannelsen af ​​planeter fra rumstøv og oprindelsen af ​​liv på jorden.

Men afgifterne kan også være ødelæggende, udløser dødelige eksplosioner af kulstøv i miner og af sukker og melstøv på fødevareforarbejdningsanlæg.

Ny forskning ledet af Case Western Reserve University viser, at små huller og revner i et materiale - ændringer i mikrostrukturen - kan styre, hvordan materialet bliver elektrisk ladet gennem friktion.

Forskningen er et skridt i retning af forståelse og ultimativt, styring af opladningsprocessen til specifikke anvendelser og for at øge sikkerheden, siger forskerne. Undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet Materialer til fysisk gennemgang .

"Elektrostatisk opladning kan ses overalt, men vi bemærkede nogle tilfælde, hvor materialer syntes at oplade mere - som en ballon, der blev gniddet på dit hoved, eller pakning af jordnødder, der klæber til din arm, når du når ind i en pakke, " sagde Dan Lacks, formand for Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik og en af ​​undersøgelsens hovedforfattere.

"Vores idé var, at en belastning af materialerne forårsagede en større tilbøjelighed til, at materialerne blev ladet op, "Mangler sagt." Efter at have blæst polystyren for at skabe den ekspanderede polystyren, der omfatter jordnødden, materialet opretholder denne tydelige opladningsadfærd på ubestemt tid. "

Tester ideen

Forskere har længe vidst, at gnidning af to materialer, såsom en ballon på hår, forårsager elektrostatisk opladning. For at teste teorien om, at belastning påvirker opladning, forskerne strakte en film af polytetrafluorethlyne (PTFE) og gned den mod en film af uanstrengt PTFE.

"Triboelektriske opladningsforsøg er generelt kendt for deres - som nogle vil sige - charmerende inkonsekvente resultater, " sagde Andrew Wang, en Case Western Reserve ph.d.-studerende og medforfatter, der ledede arbejdet. "Hvad der var overraskende for mig, i første omgang, var konsistensen af ​​de ubelastede kontra belastede opladningsresultater. "

mangler, Wang og Mohan Sankaran, professor i kemiteknik og den anden hovedforfatter af undersøgelsen, gentagne gange fundet en systematisk ladningsoverførsel i én retning, som om materialerne var fremstillet af to forskellige kemiske sammensætninger.

Efter gnidning, uspændte film havde tydeligt tendens til at bære en negativ ladning og den spændte film en positiv ladning. Fundet var ikke konsekvent 100 procent af tiden, men statistisk signifikant.

I modsætning, ubelastede film gnides sammen og anstrengte film gnides sammen syntes at oplade tilfældigt.

Analyserer resultaterne

Samarbejdspartnere ved Bilkent Universitet, i Ankara, Kalkun, brugt røntgendiffraktion og Raman-spektroskopi til at analysere prøver af anstrengte og uanstrengte film og fundet på atomniveau, de så næsten ens ud.

Den eneste påviselige forskel i den anstrengte film fra den ubelastede film var tilstedeværelsen af ​​hulrum i materialet - huller og brud skabt ved strækning, som ændrede mikrostrukturen. Nogle huller og brud blev opdaget med det blotte øje, mens andre var så små, krævede de hjælp fra et scanningselektronmikroskop.

Forskerne lavede molekylære simuleringer af belastede materialer på en computer, som viste hulrums fødsel, men ingen andre væsentlige ændringer. Det indikerede yderligere, at ændringen i mikrostrukturen er den sandsynlige årsag til den systematiske ladningsoverførsel.

"Vi tror, ​​at tomrumsområderne og fibrillerne, vi ser omkring dem, når vi belaster polymeren, har forskellig binding og dermed oplades forskelligt, "Mangler sagt.

Selvom forsøget fokuserede på ét materiale, belastning kan påvirke alle materialer, Sagde Sankaran. "Belastningen vi lagde på PTFE var stor, fordi vi ledte efter store effekter, "sagde han." Alle materialer kan have lidt belastning ved forarbejdning. "

Næste skridt

Forskerne fokuserer nu på granulerede materialer såvel som andre polymerer, herunder polystyren jordnødder og plastposer.

De håber at forstå det videnskabelige grundlag for triboelektrisk opladning og derefter kontrollere processen. Målet:at forhindre skader og eksplosioner eller udnytte opladningen til gavnlige formål, såsom ladede landbrugspesticider, der klæber bedre til planter, eller maling til biler eller endda spraybruner. Bedre vedhæftning ville reducere de påførte mængder og spild.

Ud over jordiske anvendelser, Wang sagde, disse applikationer og afbødningsstrategier kan være mere relevante i de kommende år, da bemandede og ubemandede rummissioner omhandler måne, Mars og asteroidestøv.