Статическое электричество знакомо каждому: потерев воздушный шарик о волосы, мы наблюдаем, как они встают дыбом; надев синтетическую одежду, получаем болезненный щелчок, дотронувшись до металлической дверной ручки.
Кажется, этот феномен знаком нам с школы, и что в нем может быть сложного? Тем не менее ученые честно признаются: повседневное явление ставит их в затруднительное положение уже много лет. И только сейчас физики начинают по-настоящему понимать его механизмы.
Общие сведения о статическом электричестве известны давно: при контакте двух материалов один из них получает положительный заряд, а другой — отрицательный. Однако далее начинаются загадки. Что именно переносит заряд — электроны, ионы или частицы вещества? Почему одни материалы заряжаются положительно, а другие — отрицательно? И что происходит, когда трутся два кусочка одного и того же материала — «шарик о шарик», как выразился физик-экспериментатор из Института науки и технологии Австрии Скотт Вайтукайтис? Сложности в исследовании этого явления добавляет и то, что эксперименты часто оказываются раздражающе невоспроизводимыми: одна и та же процедура может давать совершенно разные результаты при повторении.
С этой непредсказуемостью столкнулась команда Вайтукайтиса, изучая обмен зарядами между образцами одного и того же полимера. Долгое время физики считали, что что-то делают неправильно. Но затем они обнаружили удивительный факт: результат зависел от «биографии» образца — от того, сколько раз он уже соприкасался с другими материалами. Образцы с большим числом предыдущих контактов стабильно заряжались отрицательно. «То, что на первый взгляд казалось хаосом, на самом деле оказалось эволюцией образцов», — говорит Вайтукайтис.
В своем новом исследовании команда специалистов под руководством Вайтукайтиса обнаружила еще один неожиданный аспект. Изучая оксидные материалы — к примеру, песок, ученые выяснили, что направление обмена зарядами в значительной степени определяется углеродсодержащими молекулами, которые оседают на поверхности из воздуха. Если такие молекулы удалить прокаливанием, образец после контакта стабильно заряжается отрицательно; если их много на поверхности — положительно. «Об этих молекулах в области статического электричества практически никто не упоминал», — отмечает Вайтукайтис.
Эти результаты представляют собой «лучшую работу за долгое время» в данной области, считает химик-инженер из Университета Кейс Вестерн Резерв Дэниел Лэкс. По его словам, наука «перешла от общих рассуждений к настоящим доказательствам».
Лучшее понимание механизмов статического электричества имеет не только академическое значение. Открытия в этой области могут стать основой для разработки более эффективных безбатарейных генераторов для датчиков и носимой электроники, предотвращать электростатические разряды, которые часто становятся причиной промышленных взрывов, и даже оценивать опасность лунной пыли для будущих баз на Луне. Таким образом, «элементарный» школьный опыт с шариком скрывает еще множество тайн, которые ученым только предстоит раскрыть.
Фото: hi-tech.mail.ru