I århundraden, forskare har försökt förstå triboelektrisk laddning, allmänt känd som statisk elektricitet.

Triboelektrisk laddning gör att toner från en kopiator eller laserskrivare fastnar på papper, och underlättade sannolikt bildandet av planeter från rymdstoft och livets ursprung på jorden.

Men avgifterna kan också vara destruktiva, gnista dödliga explosioner av koldamm i gruvor och av socker och mjölstoft vid livsmedelsförädlingsanläggningar.

Ny forskning som leds av Case Western Reserve University visar att små hål och sprickor i ett material - förändringar i mikrostrukturen - kan styra hur materialet blir elektriskt laddat genom friktion.

Forskningen är ett steg mot förståelse och i sista hand, hantera laddningsprocessen för specifika användningsområden och för att öka säkerheten, säger forskarna. Studien publiceras i tidskriften Material för fysisk granskning .

"Elektrostatisk laddning kan ses överallt, men vi märkte några fall där material tycktes ladda mer - som en ballong som gnids på ditt huvud, eller packa jordnötter som fastnar på din arm när du når in i ett paket, "sa Dan Lacks, ordförande för Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik och en av studiens ledande författare.

"Vår idé var att en påfrestning på materialen orsakade en högre benägenhet för materialen att bli laddade, "Saknar sagt." Efter att ha blåst polystyren för att skapa den expanderade polystyrenen som består av jordnötterna, materialet upprätthåller detta distinkta laddningsbeteende på obestämd tid. "

Testar idén

Forskare har länge vetat att gnugga två material, som en ballong på håret, orsakar elektrostatisk laddning. För att testa teorin om att belastning påverkar laddning, forskarna sträckte en film av polytetrafluoroethlyne (PTFE) och gnidade den mot en film av osträckt PTFE.

"Triboelektriska laddningsexperiment är allmänt kända för sina - som vissa skulle säga - charmigt inkonsekventa resultat, "sa Andrew Wang, en doktorand från Case Western Reserve och medförfattare som ledde arbetet. "Det som var förvånande för mig, initialt, var överensstämmelsen mellan de osträckta kontra ansträngda laddningsresultaten. "

Saknar, Wang och Mohan Sankaran, professor i kemiteknik och den andra huvudförfattaren till studien, upprepade gånger hittat en systematisk laddningsöverföring i en riktning, som om materialen var gjorda av två olika kemiska kompositioner.

Efter gnidning, ospända filmer tenderade tydligen att bära en negativ laddning och den ansträngda filmen en positiv laddning. Fyndet var inte konsekvent 100 procent av tiden, men statistiskt signifikant.

I kontrast, ostramade filmer gnuggade ihop och ansträngda filmer som gnuggades ihop verkade ladda slumpmässigt.

Analysera resultaten

Collaborators på Bilkent University, i Ankara, Kalkon, använde röntgendiffraktion och Raman-spektroskopi för att analysera prover av ansträngda och ospända filmer och hittade på atomnivå, de såg nästan likadana ut.

Den enda påvisbara skillnaden mellan den ansträngda filmen och den osträckta filmen var närvaron av hålrum i materialet - hål och sprickor som skapades genom sträckning, som förändrade mikrostrukturen. Vissa hål och frakturer upptäcktes med blotta ögat, medan andra var så små krävde de hjälp av ett skanningselektronmikroskop.

Forskarna skapade molekylära simuleringar av ansträngda material på en dator, som visade födelsen av tomrummen men inga andra signifikanta förändringar. Det indikerade vidare att förändringen i mikrostrukturen är den troliga orsaken till den systematiska laddningsöverföringen.

"Vi tror att tomrumsområdena och fibrillerna vi ser runt dem när vi spänner polymeren har olika bindningar och laddas därmed annorlunda, "Saknar sagt.

Även om experimentet fokuserade på ett material, belastning kan påverka alla material, Sankaran sa. "Belastningen på PTFE var stor eftersom vi letade efter stora effekter, "sa han." Alla material kan ha lite belastning från bearbetningen. "

Nästa steg

Forskarna fokuserar nu på såväl granulära material som andra polymerer, inklusive polystyren jordnötter och plastpåsar.

De hoppas kunna förstå den vetenskapliga grunden för triboelektrisk laddning och sedan styra processen. Målet:att förhindra skador och explosioner eller utnyttja laddningen för fördelaktig användning, som laddade jordbruksbekämpningsmedel som håller sig bättre till växter, eller färger för bilar eller till och med spraybrunor. Bättre vidhäftning skulle minska de applicerade och bortkastade mängderna.

Utöver jordisk användning, Wang sa, dessa tillämpningar och begränsningsstrategier kan vara mer relevanta under de kommande åren eftersom bemannade och obemannade rymduppdrag behandlar månen, Mars och asteroiddamm.