De flesta människor har känt att det svider från att ta tag i ett dörrhandtag efter att ha gått över en matta eller sett hur en ballong fastnar på en suddig yta efter några ögonblick av kraftigt gnuggande.

Medan effekterna av statisk elektricitet har fascinerat tillfälliga observatörer och forskare i årtusenden, vissa aspekter av hur elen genereras och lagras på ytor har förblivit ett mysterium.

Nu, forskare har upptäckt fler detaljer om hur vissa material håller en laddning även efter att två ytor separeras, information som kan hjälpa till att förbättra enheter som utnyttjar sådan energi som en strömkälla.

"Vi har känt till att energi som genereras vid kontaktelektrifiering lätt hålls kvar av materialet som elektrostatiska laddningar i timmar vid rumstemperatur, "sade Zhong Lin Wang, Regents' Professor vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Vår forskning visade att det finns en potentiell barriär vid ytan som förhindrar att laddningar som genereras från att flyta tillbaka till det fasta materialet där de var från eller fly från ytan efter kontakten."

I sin forskning, som rapporterades i mars i Avancerade material , forskarna fann att elektronöverföring är den dominerande processen för kontaktelektrifiering mellan två oorganiska fasta ämnen och förklarar några av de egenskaper som redan observerats om statisk elektricitet.

"Det har varit en del debatt kring kontaktelektrifiering - nämligen om laddningsöverföringen sker genom elektroner eller joner och varför laddningarna kvarstår på ytan utan att snabbt försvinna, " sa Wang.

Det har gått åtta år sedan Wangs team först publicerade forskning om triboelektriska nanogeneratorer, som använder material som skapar en elektrisk laddning när de är i rörelse och som kan utformas för att skörda energi från en mängd olika källor som vind, havsströmmar eller ljudvibrationer.

"Tidigare använde vi bara trial and error för att maximera denna effekt, " sa Wang. "Men med denna nya information, vi kan designa material som har bättre prestanda för kraftomvandling."

Forskarna utvecklade en metod som använder en triboelektrisk nanogenerator i nanoskala - sammansatt av lager antingen av titan och aluminiumoxid eller titan och silikondioxid - för att hjälpa till att kvantifiera mängden laddning som ackumuleras på ytor under friktionsmoment.

Metoden kunde spåra de ackumulerade laddningarna i realtid och fungerade över ett brett temperaturområde, inklusive mycket höga. Data från studien visade att egenskaperna hos den triboelektriska effekten, nämligen, hur elektroner flödade över barriärer, var i överensstämmelse med teorin om elektrontermionemission.

Genom att designa triboelektriska nanogeneratorer som tål testning vid höga temperaturer, forskarna fann också att temperaturen spelade en stor roll i den triboelektriska effekten.

"Vi insåg aldrig att det var ett temperaturberoende fenomen, " sa Wang. "Men vi upptäckte att när temperaturen når cirka 300 Celsius, den triboelektriska överföringen försvinner nästan."

Forskarna testade förmågan för ytor att upprätthålla en laddning vid temperaturer som sträcker sig från cirka 80 grader Celsius till 300 grader Celsius. Baserat på deras data, forskarna föreslog en mekanism för att förklara fysikprocessen i triboelektrifieringseffekt.

"När temperaturen stiger, elektronernas energifluktuationer blir större och större, "skrev forskarna." Således det är lättare för elektroner att hoppa ur potentialbrunnen, och de går antingen tillbaka till materialet där de kom ifrån eller släpper ut i luften."