Løsning af det mangeårige mysterium om, hvordan friktion fører til statisk elektricitet

De fleste mennesker har oplevet den hårrejsende effekt af at gnide en ballon på hovedet eller den subtile gnist, der forårsages af at trække strømpefod hen over tæppet. Selvom disse oplevelser er almindelige, en detaljeret forståelse af, hvordan de opstår, har undgået videnskabsmænd i mere end 2, 500 år.

Nu udviklede et team fra Northwestern University en ny model, der viser, at gnidning af to genstande sammen producerer statisk elektricitet, eller triboelektricitet, ved at bøje de bittesmå fremspring på overfladen af ​​materialer.

Denne nye forståelse kan have vigtige konsekvenser for eksisterende elektrostatiske applikationer, såsom energihøst og udskrivning, samt for at undgå potentielle farer, såsom brande startet af gnister fra statisk elektricitet.

Undersøgelsen offentliggøres torsdag d. 12. september, i journalen Fysisk gennemgangsbreve . Laurence Marks, professor i materialevidenskab og teknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering, ledet undersøgelsen. Christopher Mizzi og Alex Lin, doktorander i Marks laboratorium, var medforste forfattere af papiret.

Den græske filosof Thales fra Milet rapporterede første gang friktionsinduceret statisk elektricitet i 600 f.Kr. Efter at have gnidt rav med pels, han bemærkede, at pelsen tiltrak støv.

"Siden da, det er blevet klart, at gnidning inducerer statisk opladning i alle isolatorer - ikke kun pels, " sagde Marks. "Men det er mere eller mindre her, den videnskabelige konsensus sluttede."

På nanoskala, alle materialer har ru overflader med utallige bittesmå fremspring. Når to materialer kommer i kontakt og gnider mod hinanden, disse fremspring bøjes og deformeres.

Marks' team fandt ud af, at disse deformationer giver anledning til spændinger, der i sidste ende forårsager statisk opladning. Dette fænomen kaldes den "flexoelektriske effekt, " som opstår, når ladningsadskillelsen i en isolator opstår fra deformationer såsom bøjning.

Ved hjælp af en simpel model, Northwestern-holdet viste, at spændinger, der opstår fra de bøjede fremspring under gnidning, er, Ja, stor nok til at forårsage statisk elektricitet. Dette arbejde forklarer en række eksperimentelle observationer, såsom hvorfor ladninger produceres, selv når to stykker af det samme materiale gnides sammen og forudsiger eksperimentelt målte ladninger med bemærkelsesværdig nøjagtighed.

"Vores fund tyder på, at triboelektricitet, flexoelektricitet og friktion er uløseligt forbundet, " sagde Marks. "Dette giver meget indsigt i at skræddersy triboelektrisk ydeevne til nuværende applikationer og udvide funktionaliteten til nye teknologier."

"Dette er et godt eksempel på, hvordan grundforskning kan forklare hverdagsfænomener, som man ikke tidligere havde forstået, og af hvordan forskning på ét område – i dette tilfælde friktion og slid – kan føre til uventede fremskridt på et andet område, " sagde Andrew Wells, en programdirektør ved National Science Foundation (NSF), som finansierede forskningen. "NSF finansierer forskning som denne inden for materialevidenskab og teknik til ny viden, der en dag kan åbne nye muligheder."