Казалось бы, это явление известно нам со школы, что в нем может быть сложного? Однако ученые честно признаются: повседневный феномен ставит их в тупик уже не одно столетие. И только сейчас физики начинают по-настоящему разбираться в его механизмах.
Общие сведения о статическом электричестве известны давно: при контакте двух материалов один из них приобретает положительный заряд, другой — отрицательный. Но дальше начинаются загадки. Что именно переносит заряд — электроны, ионы или фрагменты вещества? Почему одни материалы заряжаются положительно, а другие отрицательно? И что происходит, когда трутся друг о друга два куска одного и того же материала — «шарик о шарик», как выразился физик-экспериментатор из Института науки и технологии Австрии Скотт Вайтукайтис? Сложности в изучение этого явления добавляет и то, что эксперименты отличаются раздражающей невоспроизводимостью: одна и та же процедура при повторении может давать совершенно разные результаты.
Именно с этой непредсказуемостью столкнулась команда Вайтукайтиса, изучая обмен зарядами между образцами одного и того же полимера. Долгое время физики думали, что делают что-то не так. Но затем обнаружили поразительную вещь: результат зависел от «биографии» образца — от того, сколько раз он уже контактировал с другими материалами. Образцы с большим числом предыдущих касаний стабильно заряжались отрицательно. «То, что на первый взгляд показалось нам хаосом, оказалось эволюцией образцов», — говорит Вайтукайтис.
В своем новом исследовании группа специалистов под руководством Вайтукайтиса обнаружила еще один неожиданный фактор. Изучая оксидные материалы — например, песок, — ученые выяснили, что направление обмена зарядами во многом определяется углеродсодержащими молекулами, которые оседают на поверхность из воздуха. Если такие молекулы удалить прокаливанием, образец после контакта стабильно заряжается отрицательно; если их на поверхности много — положительно. «Об этих молекулах в области статического электричества почти никто не говорил», — признает Вайтукайтис.
Эти результаты — «лучшая работа 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 просто академическое значение. Открытия в этой сфере могут стать основой для создания более эффективных безбатарейных генераторов для датчиков и носимой электроники, предотвращать электростатические разряды, которые часто становятся причиной промышленных взрывов, и даже оценить опасность лунной пыли для будущих баз на Луне. Так что «элементарный» школьный опыт с шариком скрывает еще немало загадок, которые ученым только предстоит разгадать.
Ранее ученые объяснили, можно ли использовать молнию в качестве оружия.