Staattisen sähkön tiede ei ole enää niin toivoton

Vuosisatojen ajan staattinen sähkö on herättänyt uteliaisuutta ja hämmennystä. Nyt Itävallan tiede- ja teknologiainstituutin (ISTA) tutkijoiden uusi tutkimus paljastaa, että materiaalin kosketushistoria määrittää sen, kuinka se vaihtaa varausta.

Jonkin verran aiheessa on aikoinaan edistytty tribosähköisen sarjan kehittelyn myötä. Niidenkin ongelmana on se, että eri tutkijat saavat erilaisia varauksia, ja joskus jopa sama tutkija ei saa samaa varausta kahdesti, kun he tekevät oman kokeensa uudelleen.

Siksi meille saattaa tulla yllätyksenä, ettemme ymmärrä, miten se tarkalleen tapahtuu ”, sanoo Scott Waitukaitis, Itävallan tiede- ja teknologiainstituutin (ISTA) apulaisprofessori ja joka johti tätä työtä yhdessä ISTA:n tohtoriopiskelija Juan Carlos Sobarzon kanssa.

"Ymmärrys siitä, kuinka eristemateriaalit vaihtoivat varausta, tuntui täydelliseltä sotkulta erittäin pitkään. Tämän ”sotkun" valossa fyysikot ja materiaalitutkijat eivät näyttäneet pääsevän yhteisymmärrykseen mistään mallista, joka selittäisi mekanismin.

Nytkin tutkijoilta meinasi pyyhe lentää kehään mutta heti kun aloimme seurata näytteiden kontaktihistoriaa, satunnaisuus ja kaaos olivat itse asiassa täysin järkeviä, Waitukaitis sanoo.

Havaittiin, että näytteet alkoivat käyttäytyä ennustettavasti noin 200 kontaktin jälkeen ja että enemmän "kontaktoitunut" näyte latautui jatkuvasti negatiivisesti verrattuna siihen, jolla oli pienempi kontaktihistoria.

Ajatusta siitä, että näytteen kontaktihistoria voisi hallita näytteen varaustapoja, ei ollut koskaan ehdotettu. Tällä tiimi selittää, miksi niin monet kosketussähköistyskokeet näyttävät sattumanvaraisilta ja hallitsemattomilta. Silti kysymys jää – kuinka kontakti muuttaa näytteitä?

Joten tiimi puski eteenpäin käyttämällä erilaisia pintaherkkiä tekniikoita näytteissä ennen kosketusta ja sen jälkeen. Kaikista heidän tutkimistaan parametreista vain yksi antoi vihjeen: he havaitsivat erillisiä muutoksia materiaalien pinnan karheudessa nanoskooppisessa mittakaavassa.

Tarkemmin sanottuna ne osoittivat, että kontaktit tasoittivat materiaalin pinnan pienimmätkin kolhut. Tiimi ei tiedä, miten tämä aiheuttaa kosketuksen sähköistymistä, mutta koska se on ainoa muutos, jonka he voivat havaita, se on erittäin viittaavaa.

"Onnistuimme paljastamaan suuren vihjeen vaikeasta mekanismista, joka on niin perustavanlaatuinen sähkön ja sähköstaattisen ymmärryksemme kannalta, ja piti silti tutkijoita ymmällään niin pitkään", Sobarzo sanoo.

Waitukaitis päättelee, tuskin kyeten peittämään kiihtyneisyyttään: "Olemme osoittaneet, että staattisen sähkön tiede ei ole enää niin toivoton."

Aiheesta aiemmin:

Materiaalien sähköstaattista suunnittelua