Att blanda sig över mattan för att zappa en vän kan vara det äldsta tricket i boken, men på en djup nivå mystifierar detta spratt fortfarande forskare, även efter tusentals år av studier.
Nu har Princeton-forskare väckt nytt liv till statik. Med hjälp av miljontals timmars beräkningstid för att köra detaljerade simuleringar, hittade forskarna ett sätt att beskriva statisk laddning atom-för-atom med matematiken för värme och arbete. Deras artikel, "Thermodynamic driving forces in contact electrification between polymeric materials," finns i Nature Communications .
Studien tittade specifikt på hur laddningen rör sig mellan material som inte tillåter det fria flödet av elektroner, så kallade isoleringsmaterial, som vinyl och akryl. Forskarna sa att det inte finns någon etablerad uppfattning om vilka mekanismer som driver dessa ryck, trots att statisk elektricitet är allmänt förekommande:knastret och knäppet av kläder som dras från en torktumlare, packar jordnötter som klamrar sig fast vid en låda.
"Vi vet att det inte är elektroner", säger Mike Webb, biträdande professor i kemisk och biologisk teknik, som ledde studien. "Vad är det?"
Webb ställde sig först den frågan som postdoktor vid University of Chicago. Han undrade över det med kollegor, förbryllad över att ett så vanligt fenomen kunde vara så dåligt förstådd. Men ju mer de tittade desto mer oöverstigliga blev frågorna. "Det verkade bara utom räckhåll", sa han.
Den hade varit utom räckhåll sedan Thales från Miletus först gnuggade bärnsten med päls och såg bärnstenen (grekiska:elektron) samla fjädrar och damm - för 26 århundraden sedan. Thales var en av de första människorna som förklarade naturen genom förnuft snarare än övernaturliga krafter. Han spelade en avgörande roll i utvecklingen av filosofin och så småningom vetenskapen. Trots djupet och bredden av kunskap som ackumulerats under efterföljande årtusenden, trots de otaliga teknologier som föddes ur den kunskapen, sprack vetenskapen aldrig statiskt under hela den tiden. Det kanske aldrig skulle göra det.
På Princeton fick Webb prata med sin kollega Sankaran Sundaresan, en ledande expert inom kemisk reaktionsteknik som specialiserat sig på materialflödet i gaskammare. I dessa miljöer, laddade med flyktiga kemikalier, kan en herrelös gnista vara dödlig. Sundaresan hade arbetat med statisk laddning i decennier och använt tillförlitliga experimentdata för att förutsäga men inte helt förstå hur laddningen rörde sig i dessa system.
"Jag behandlar det som en svart låda", säger Sundaresan, professorn i teknik från Norman John Sollenberger. "Vi gör några experiment och experimenten säger till mig:Det här är vad som händer. Det här är laddningen." Han arbetar till gränsen och noterar noggrant vad han ser. Vad som händer inuti den svarta lådan förblir ett mysterium.
En sak du hittar oavsett var du tittar är dock, enligt Sundaresan, spårmängder av vatten. Laddade vattenmolekyler finns överallt, i nästan allt, och klamrar sig fast vid praktiskt taget alla ytor på jorden. Även under extremt torra förhållanden, under intensiv värme, samlas herrelösa vattenjoner i mikroskopiska oaser som hyser elektrisk laddning.
Thales är för övrigt mest känd inte för sitt arbete med elektricitet utan för ett ännu större projekt. Han föreslog att hela naturen var gjord av vatten, att vatten var Ur-ämnet, det väsentliga. Det var det första försöket till en enhetlig teori om allt. Aristoteles skrev ner allt.
Över bågen av Sundaresans karriär krympte han och hans kollegor den svarta lådan så att mysterierna har drivits allt djupare. Men mysterier de kvarstår.
Samtalet mellan han och Webb ledde till ett ömsesidigt insikt. Sundaresan hade decennier av insikt i data från reaktorer, och Webb kunde tillämpa sofistikerade beräkningstekniker i atomskala för att titta på dessa vattenjoner ur termodynamikens perspektiv.
Hur mycket energi skulle det ta för en vattenjon att bulta från yta till yta? Det kanske skulle förklara vad som hände i Sundaresans svarta låda. Det olösta pusslet från Webbs postdoc-dagar låstes upp.
Genom att modellera förhållandet mellan laddade vattenmolekyler och mängden energi som dessa molekyler har tillgänglig för att driva dem mellan ytor, visade Webb och doktorand Hang Zhang en mycket exakt matematisk approximation av hur elektrisk laddning rör sig mellan två isolerande material.
Med andra ord använde de matematik för att simulera rörelsen av cirka 80 000 atomer. Dessa simuleringar matchade verkliga observationer med en mycket hög grad av precision. Det visar sig, med all sannolikhet, statisk chock är en funktion av vatten, och mer specifikt, den fria energin hos herrelösa vattenjoner.
Med det ramverket avslöjade Webb och Zhang den molekylära grunden för dessa välbekanta chocker i oändligt liten detalj. De sprängde Sundaresans svarta låda på vid gavel. Om Thales bara kunde se.
Mer information: Hang Zhang et al, Termodynamiska drivkrafter vid kontaktelektrifiering mellan polymera material, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46932-2
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Princeton University
