Videnskaben om statisk stød rykkede ind i det 21. århundrede

At blande sig hen over gulvtæppet for at zappe en ven er måske det ældste trick i bogen, men på et dybt plan mystificerer den prank stadig videnskabsmænd, selv efter tusinder af års studier.

Nu har Princeton-forskere sat nyt liv i statisk. Ved at bruge millioner af timers beregningstid til at køre detaljerede simuleringer fandt forskerne en måde at beskrive statisk ladning atom-for-atom med matematikken om varme og arbejde. Deres papir, "Thermodynamic driving forces in contact electrification between polymeric materials," vises i Nature Communications .

Undersøgelsen så specifikt på, hvordan ladning bevæger sig mellem materialer, der ikke tillader den frie strøm af elektroner, kaldet isoleringsmaterialer, såsom vinyl og akryl. Forskerne sagde, at der ikke er nogen etableret opfattelse af, hvilke mekanismer der driver disse stød, på trods af den allestedsnærværende statiske elektricitet:knitren og knitren af ​​tøj, der trækkes fra en tørretumbler, pakker jordnødder, der klæber sig til en kasse.

"Vi ved, at det ikke er elektroner," sagde Mike Webb, assisterende professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab, der ledede undersøgelsen. "Hvad er det?"

Det spørgsmål stillede Webb sig selv først som postdoktor ved University of Chicago. Han undrede sig over det med kolleger, forvirret over, at et så almindeligt fænomen kunne være så dårligt forstået. Men jo mere de kiggede, jo mere uoverkommelige blev spørgsmålene. "Det virkede bare uden for rækkevidde," sagde han.

Det havde været uden for rækkevidde, siden Thales af Miletus først gned rav med pels og så rav (græsk:elektron) samle fjer og støv - for 26 århundreder siden. Thales var et af de første mennesker, der forklarede naturen gennem fornuft frem for overnaturlige kræfter. Han spillede en afgørende rolle i udviklingen af ​​filosofi og i sidste ende videnskab. På trods af dybden og bredden af ​​viden akkumuleret over de efterfølgende årtusinder, på trods af de utallige teknologier født af den viden, knækkede videnskaben i al den tid aldrig statisk. Måske ville det aldrig.

Hos Princeton kom Webb til at tale med sin kollega Sankaran Sundaresan, en førende ekspert i kemisk reaktionsteknik, der har specialiseret sig i flow af materialer i gaskamre. I disse miljøer, fyldt med flygtige kemikalier, kan en herreløs gnist være dødbringende. Sundaresan havde arbejdet med statisk ladning i årtier og brugt pålidelige eksperimentelle data til at forudsige, men ikke fuldt ud gennemskue, hvordan ladning bevægede sig i disse systemer.

"Jeg behandler det som en sort boks," sagde Sundaresan, den normanniske John Sollenberger professor i ingeniørvidenskab. "Vi laver nogle eksperimenter, og eksperimenterne fortæller mig:Det er, hvad der sker. Det er afgiften." Han arbejder til det yderste og noterer nøje, hvad han ser. Hvad der sker inde i den sorte boks forbliver et mysterium.

En ting, du finder, uanset hvor du kigger, er dog ifølge Sundaresan spormængder af vand. Ladede vandmolekyler er overalt, i næsten alt, og klæber sig til stort set alle overflader på Jorden. Selv under ekstremt tørre forhold, under intens varme, samler herreløse vandioner sig i mikroskopiske oaser, der rummer elektrisk ladning.

Thales er i øvrigt bedst kendt ikke for sit arbejde med elektricitet, men for et endnu større projekt. Han foreslog, at hele naturen var lavet af vand, at vand var Ur-stoffet, det væsentlige. Det var det første forsøg på en samlet teori om alting. Aristoteles skrev det hele ned.

Henover Sundaresans karriere har han og hans kolleger krympet den sorte boks, så mysterierne er blevet skubbet dybere. Men mysterier de forbliver.

Samtalen mellem han og Webb førte til en gensidig erkendelse. Sundaresan havde årtiers indsigt i data fra reaktorer, og Webb kunne anvende sofistikerede atom-skala beregningsteknikker til at se på disse van-ioner fra termodynamikkens perspektiv.

Hvor meget energi ville det tage for en vandion at boltre sig fra overflade til overflade? Måske ville det forklare, hvad der skete inde i Sundaresans sorte boks. Det uløste puslespil fra Webbs postdoc-dage blev låst op.

Ved at modellere forholdet mellem ladede vandmolekyler og mængden af ​​energi, disse molekyler har til rådighed for at drive dem frem mellem overflader, demonstrerede Webb og kandidatstuderende Hang Zhang en meget præcis matematisk tilnærmelse af, hvordan elektrisk ladning bevæger sig mellem to isoleringsmaterialer.

Med andre ord brugte de matematik til at simulere bevægelsen af ​​omkring 80.000 atomer. Disse simuleringer matchede virkelige observationer med en meget høj grad af præcision. Det viser sig efter al sandsynlighed, at statisk chok er en funktion af vand og mere specifikt den frie energi fra omstrejfende vandioner.

Med den ramme afslørede Webb og Zhang de molekylære grundlag for disse velkendte stød i uendelig små detaljer. De blæste Sundaresans sorte boks på vid gab. Hvis bare Thales kunne se.

Flere oplysninger: Hang Zhang et al., Termodynamiske drivkræfter i kontaktelektrificering mellem polymere materialer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46932-2

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Princeton University