Физики разобрались с возникновением зарядовых мозаик при контакте диэлектриков

Корейские физики исследовали образование зарядовых мозаик в ходе контактной электризации двух диэлектриков. С помощью множества экспериментальных техник, а также подробной теоретической модели они доказали, что за формирование узоров ответственны разряды между отдельными участками поверхностей, заканчивающиеся инверсией зарядов. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Контактной электризацией называют возникновение электрического заряда на поверхностях соприкасающихся тел. Это одно из немногих электрических явлений, которое люди пытались изучать еще до нашей эры. Оно играет важную роль в ряде технологических процессов, но в то же время служит источником опасности в промышленности, из-за чего физики и инженеры постоянно ищут новые антистатики.

Обыденный опыт подсказывает, что характер распределения зарядов зависит только от свойств пары поверхностей. Другими словами, в той или иной паре материалов распределение положительных и отрицательных зарядов всего одно и то же. Более того, ученые долгое время были уверены, что заряды распределяются по поверхностям однородно. Однако появляется все больше свидетельств того, что положительные и отрицательные заряды образуют на поверхностях неоднородную мозаичную структуру. Физики предпринимают различные попытки объяснить этот феномен, однако общего консенсуса по этому вопросу до сих пор не существует.

Большую ясность в образовании зарядовых мозаик на поверхности диэлектриков внесли физики из Института фундаментальных наук в Тэджоне, Южная Корея, под руководством Бартоша Гжибовского (Bartosz Grzybowski). Они выяснили, что за такие структуры ответственны разряды между поверхностями, причем они продолжаются не только до нейтрализации, но и до инверсии зарядов. Экспериментально подтверждение этого эффекта ученые подкрепили удовлетворительной численной моделью.

Разряды в газовых средах происходят по мере того, как напряженность электрического поля, вызванного разноименными зарядами, превышает некоторое пороговое значение и образуется плазменный канал. Разность потенциалов приводит заряды в движение, что приводит к компенсации разноименных зарядов и прекращению разряда по мере того, как напряженность поля опускается ниже определенной величины.

В случае, когда поверхности проводящие, разряд заканчивается почти полной их нейтрализацией, поскольку заряды свободно по ним распределяются. Когда же речь идет о диэлектриках, ситуация становится сложнее. Если разряд происходит между малыми участками двух однородно заряженных поверхностей, их нейтрализации может быть недостаточно для прекращения разряда, поскольку заряженное окружение этих малых областей способно его поддерживать. В этом случае происходит локальная инверсия зарядов, ответственная за мозаичную структуру при контактной электризации.

Чтобы проверить эту гипотезу, физики отслаивали куски полидиметилсилоксана (ПДМС) от пленок полиметилметакрилата (ПММА). За процессом наблюдала цифровая камера вместе с электрометром, который измерял заряд, индуцируемый на подложке. Меняя, размеры образцов, атмосферу (воздух, аргон) и ее давление, ученые нашли условия образования зарядовых мозаик. Для их визуализации они использовали припудривание частицами тонера для принтера, микроскопию с методом зонда Кельвина и сканирующую электронную микроскопию.

В среднем поверхность ПДМС имела после отрыва отрицательный заряд, а ПММА — положительный. Однако на обеих из них возникали области противоположного знака, преимущественно полосы, параллельные фронту отрыва. Видеосъемка показала, что эти области образуются ровно в тех местах, где происходят краткосрочные световые вспышки, создаваемые разрядом. Примечательно, что в ряде случаев разряд вызывал небольшое ускорение отрыва. Физики связали это с тем, что компенсация зарядов ослабляет связь между поверхностями.

Для интерпретации увиденного авторы построили численную модель, включающую геометрические и электрические свойства материалов, возникновение пробоя по мере роста расстояния между поверхностями (закон Пашена), а также характерный гистерезис газового разряда. При этом плотность поверхностного заряда непосредственно после контакта оставалась свободным параметром. В результате ученые получили хорошее статистическое согласие с экспериментом.

Ранее мы рассказывали, как электростатическое взаимодействие между зарядами в капле и подложке может влиять на их скольжение по наклонным поверхностям.

Марат Хамадеев