De flesta människor har upplevt den hårresande effekten av att gnugga en ballong på huvudet eller den subtila gnistan som orsakas av att dra strumpade fötter över mattan. Även om dessa erfarenheter är vanliga, en detaljerad förståelse för hur de uppstår har undvikit forskare i mer än 2, 500 år.

Nu utvecklade ett team från Northwestern University en ny modell som visar att gnidning av två objekt tillsammans ger statisk elektricitet, eller triboelektricitet, genom att böja de små utsprången på materialytan.

Denna nya förståelse kan ha viktiga konsekvenser för befintliga elektrostatiska applikationer, såsom energihämtning och utskrift, såväl som för att undvika potentiella faror, t.ex. bränder som startas av gnistor från statisk elektricitet.

Forskningen publiceras på torsdag, 12 september, i tidningen Fysiska granskningsbrev . Laurence Marks, professor i materialvetenskap och teknik vid Northwestern McCormick School of Engineering, ledde studien. Christopher Mizzi och Alex Lin, doktorander i Marks laboratorium, var förste författare till tidningen.

Den grekiske filosofen Thales of Miletus rapporterade först friktionsinducerad statisk elektricitet år 600 f.Kr. Efter att ha gnidat bärnsten med päls, han märkte att pälsen drog till sig damm.

"Sedan dess, det har blivit klart att gnidning orsakar statisk laddning i alla isolatorer - inte bara päls, "Sade Marks." Men det är mer eller mindre där det vetenskapliga samförståndet slutade. "

På nanoskala, alla material har grova ytor med otaliga små utsprång. När två material kommer i kontakt och gnuggar mot varandra, dessa utstick böjs och deformeras.

Marks team fann att dessa deformationer ger upphov till spänningar som i slutändan orsakar statisk laddning. Detta fenomen kallas "flexoelektrisk effekt, "som uppstår när laddningsseparationen i en isolator uppstår från deformationer som böjning.

Med hjälp av en enkel modell, det nordvästra laget visade att spänningar som uppstår från böjningsutsprången under gnidning är, verkligen, tillräckligt stor för att orsaka statisk elektricitet. Detta arbete förklarar ett antal experimentella observationer, till exempel varför laddningar produceras även när två bitar av samma material gnids ihop och förutsäger experimentellt uppmätta laddningar med anmärkningsvärd noggrannhet.

"Vårt fynd tyder på att triboelektricitet, flexoelektricitet och friktion är oupplösligt kopplade, "Marks sa." Detta ger mycket inblick i att skräddarsy triboelektriska prestanda för nuvarande applikationer och utöka funktionaliteten till ny teknik. "

"Detta är ett bra exempel på hur grundforskning kan förklara vardagsfenomen som inte tidigare hade förståtts, och om hur forskning inom ett område - i detta fall friktion och slitage - kan leda till oväntade framsteg inom ett annat område, "sa Andrew Wells, en programdirektör vid National Science Foundation (NSF), som finansierade forskningen. "NSF finansierar forskning som denna inom materialvetenskap och teknik för ny kunskap som en dag kan öppna nya möjligheter."