راز الکتریسیته ساکن پس از قرن‌ها کشف شد!

فیزیکدانان مؤسسه ISTA نشان دادند که بارگیری الکتریکی در اثر تماس، به تاریخچه تماس مواد بستگی دارد.

برای قرن‌ها، الکتریسیته ساکن ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود. اکنون، پژوهشگران گروه وایتوکایتیس در مؤسسه علوم و فناوری اتریش (ISTA) سرنخی اساسی از این پدیده کشف کرده‌اند: تاریخچه تماس مواد، نحوه تبادل بار الکتریکی آنها را تعیین می‌کند. این یافته‌های مهم که در نشریه Nature منتشر شده‌اند، به یکی از معما‌های دیرینه فیزیک پاسخ داده و نشان داده‌اند که آنچه زمانی بی‌نظم و تصادفی به نظر می‌رسید، در واقع تابع یک الگوی مشخص است.

معمایی که از دوران باستان باقی مانده است

به گزارش ساینس دیلی، از شوک ناگهانی هنگام لمس دستگیره در گرفته تا چسبیدن دانه‌های یونولیت به موی یک گربه، الکتریسیته ساکن همواره پدیده‌ای آشنا، اما مرموز بوده است. با وجود اینکه این اثر را می‌توان با آزمایش‌های ساده‌ای مانند مالش بادکنک به مو نشان داد، دانشمندان هنوز به درک کاملی از آن نرسیده‌اند.

الکتریسیته ساکن که در علم با نام بارگیری الکتریکی در اثر تماس (Contact Electrification) شناخته می‌شود، برخلاف تصور عمومی، یک پدیده ایستا نیست؛ بلکه شامل انتقال بار هنگام تماس دو ماده الکتریکی خنثی است.

اسکات وایتوکایتیس، استاد مؤسسه ISTA و سرپرست این پژوهش، می‌گوید: "همه ما این پدیده را تجربه می‌کنیم، اما شگفت‌آور است که هنوز دقیقاً نمی‌دانیم چگونه رخ می‌دهد. "

کشف عامل نادیده گرفته‌شده در بارگیری الکتریکی

پژوهشگران در آزمایش‌های خود متوجه شدند که بسیاری از عوامل بررسی‌شده بر بارگیری الکتریکی در اثر تماس تأثیر چندانی ندارند. در نهایت، فرضیه‌ای مطرح شد که تاکنون از آن غفلت شده بود: "آیا ممکن است خود تماس، عامل تعیین‌کننده در نحوه بارگیری مواد باشد؟ "

برای دهه‌ها، دانشمندان تلاش کرده‌اند مواد نارسانا را بر اساس میزان بارگیریشان در یک سری تریبو الکتریکی (Triboelectric Series) مرتب کنند. در این سری، مواد به ترتیب از مثبت‌ترین تا منفی‌ترین قرار می‌گیرند؛ اما مشکل این بود که نتایج آزمایش‌های مختلف با یکدیگر همخوانی نداشتند. حتی یک محقق ممکن بود در آزمایش‌های تکراری خود به نتایج متفاوتی برسد.

وایتوکایتیس می‌گوید: "به نظر می‌رسید که این پدیده یک آشفتگی کامل است و نتایج آزمایش‌ها تصادفی و غیرقابل پیش‌بینی هستند. "

عجیب‌تر اینکه حتی دو نمونه از یک ماده مشابه نیز هنگام تماس، بار رد و بدل می‌کردند. اگر مواد یکسان بودند، پس چه چیزی تعیین می‌کرد که بار به کدام سمت برود؟

نظمی که از دل آشوب پدیدار شد

پژوهشگران حدس زدند که همین بارگیری در اثر تماس مواد مشابه می‌تواند کلید حل این معما باشد. آنها برای کاهش عوامل متغیر، نمونه‌هایی از پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) —a نوعی پلیمر شفاف—را به‌عنوان ماده آزمایشی خود انتخاب کردند.

در ابتدا، فرض بر این بود که ویژگی‌های سطحی تصادفی مسئول تفاوت در بارگیری است. اما آزمایش‌های اولیه نیز همان الگوی غیرقابل پیش‌بینی را نشان دادند. سپس، خوان کارلوس سوبارزو، دانشجوی دکتری ISTA، متوجه نکته‌ای غیرمنتظره شد: "در یک آزمایش، نمونه‌هایی را که قبلاً برای تست‌های مختلف استفاده کرده بودم، دوباره بررسی کردم. شگفت‌آور بود که آنها در همان تلاش اول، طبق یک الگوی مشخص مرتب شدند. ".

اما وقتی آزمایش را با نمونه‌های جدید تکرار کردند، نتایج مجدداً تصادفی به نظر می‌رسیدند.

"در این مرحله، تقریباً تسلیم شده بودیم، اما تصمیم گرفتم روز بعد دوباره آزمایش را تکرار کنم. به‌طور شگفت‌انگیزی، در تلاش‌های بعدی، نتایج منظم‌تر شدند. تا اینکه پس از پنج بار تماس، نمونه‌ها در یک سری تریبو الکتریکی مرتب شدند. "

اینجا بود که پژوهشگران دریافتند تاریخچه تماس مواد تعیین‌کننده است. پس از حدود ۲۰۰ بار تماس، نمونه‌ها شروع به نشان دادن رفتار قابل پیش‌بینی کردند: نمونه‌ای که تماس‌های بیشتری داشت، همواره به‌طور منفی بارگیری می‌شد، درحالی‌که نمونه با تاریخچه تماس کمتر، بار مثبت می‌گرفت.

آنها حتی نشان دادند که با کنترل تعداد تماس‌ها و ترتیب آزمایش‌ها، می‌توان نمونه‌ها را به‌صورت دلخواه در یک سری تریبو الکتریکی از پیش تعیین‌شده مرتب کرد.

تأثیر تغییرات سطحی در مقیاس نانومتری

اینکه چگونه تاریخچه تماس باعث تغییر در بارگیری مواد می‌شود، هنوز به‌طور کامل مشخص نیست. اما بررسی‌های بیشتر نشان داد که تماس‌های مکرر، سطح مواد را در مقیاس نانومتری صاف‌تر می‌کند.

سوبارزو می‌گوید: "ما توانستیم سرنخی اساسی را در مورد مکانیزمی کشف کنیم که قرن‌ها ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده بود. "

وایتوکایتیس نیز در پایان با هیجان می‌گوید: "این پژوهش نشان داد که علم الکتریسیته ساکن دیگر یک معمای ناامیدکننده نیست. "

انتهای پیام/