Wetenschap
De wetenschap van statische schokken schokte de 21e eeuw binnen
Over het tapijt schuifelen om een vriend te zappen is misschien wel de oudste truc in het boek, maar op een diep niveau verbijstert deze grap wetenschappers nog steeds, zelfs na duizenden jaren van onderzoek.
Nu hebben onderzoekers van Princeton statische elektriciteit nieuw leven ingeblazen. Met behulp van miljoenen uren rekentijd om gedetailleerde simulaties uit te voeren, vonden de onderzoekers een manier om statische lading atoom voor atoom te beschrijven met de wiskunde van warmte en arbeid. Hun artikel, 'Thermodynamische drijvende krachten in contactelektrificatie tussen polymere materialen', verschijnt in Nature Communications .
In de studie werd specifiek gekeken naar hoe lading beweegt tussen materialen die de vrije stroom van elektronen niet toestaan, zogenaamde isolatiematerialen, zoals vinyl en acryl. De onderzoekers zeggen dat er geen vaststaand inzicht bestaat over de mechanismen die deze schokken veroorzaken, ondanks de alomtegenwoordigheid van statische elektriciteit:het gekraak en ploffen van kleding die uit een droger wordt getrokken, het verpakken van pinda's die aan een doos blijven hangen.
"We weten dat het geen elektronen zijn", zegt Mike Webb, universitair docent chemische en biologische technologie, die het onderzoek leidde. "Wat is er?"
Webb stelde zichzelf die vraag voor het eerst als postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Chicago. Hij puzzelde er met collega's over, verbijsterd dat zo'n veel voorkomend fenomeen zo slecht kon worden begrepen. Maar hoe langer ze keken, hoe onoverkomelijker de vragen werden. "Het leek gewoon buiten bereik", zei hij.
Het was buiten bereik geweest sinds Thales van Miletus voor het eerst barnsteen met bont wreef en zag hoe het barnsteen (Grieks:elektron) veren en stof verzamelde – 26 eeuwen geleden. Thales was een van de eerste mensen die de natuur verklaarde door middel van de rede in plaats van door bovennatuurlijke krachten. Hij speelde een cruciale rol in de ontwikkeling van de filosofie en uiteindelijk de wetenschap. Ondanks de diepte en breedte van de kennis die de daaropvolgende millennia is vergaard, ondanks de talloze technologieën die uit die kennis zijn voortgekomen, is de wetenschap in al die tijd nooit door de statische elektriciteit heengegaan. Misschien zou dat nooit gebeuren.
Op Princeton raakte Webb in gesprek met zijn collega Sankaran Sundaresan, een vooraanstaand expert op het gebied van chemische reactietechniek die gespecialiseerd is in de materiaalstroom in gaskamers. In dergelijke omgevingen, vol met vluchtige chemicaliën, kan een verdwaalde vonk dodelijk zijn. Sundaresan werkte al tientallen jaren met statische lading en gebruikte betrouwbare experimentele gegevens om te voorspellen, maar niet volledig te doorgronden, hoe de lading zich in deze systemen bewoog.
"Ik behandel dat als een zwarte doos", zegt Sundaresan, de Norman John Sollenberger Professor in Engineering. "We doen wat experimenten en de experimenten vertellen me:dit is wat er gebeurt. Dit is de aanklacht." Hij werkt tot het uiterste en noteert zorgvuldig wat hij ziet. Wat er in de zwarte doos gebeurt, blijft een mysterie.
Maar waar je ook kijkt, volgens Sundaresan zijn er sporen van water. Geladen watermoleculen zijn overal, in bijna alles, en hechten zich aan vrijwel elk oppervlak op aarde. Zelfs in extreem droge omstandigheden, onder intense hitte, verzamelen verdwaalde waterionen zich in microscopisch kleine oases die elektrische lading herbergen.
Overigens is Thales niet vooral bekend vanwege zijn werk op het gebied van elektriciteit, maar vanwege een nog groter project. Hij stelde voor dat de hele natuur uit water bestond, dat water de Ur-substantie was, het essentiële materiaal. Het was de eerste poging tot een uniforme theorie van alles. Aristoteles schreef het allemaal op.
Gedurende de loop van Sundaresans carrière hebben hij en zijn collega's die zwarte doos kleiner gemaakt, zodat de mysteries steeds dieper zijn doorgedrongen. Maar het blijven mysteries.
Het gesprek tussen hij en Webb leidde tot een wederzijds besef. Sundaresan had tientallen jaren inzicht in de gegevens van reactoren, en Webb kon geavanceerde rekentechnieken op atomaire schaal toepassen om deze waterionen vanuit het perspectief van de thermodynamica te bekijken.
Hoeveel energie zou een waterion nodig hebben om van oppervlak naar oppervlak te vliegen? Misschien zou dat verklaren wat er in de zwarte doos van Sundaresan gebeurde. De onopgeloste puzzel uit Webbs postdoctijd werd ontgrendeld.
Door de relatie tussen geladen watermoleculen en de hoeveelheid energie die deze moleculen beschikbaar hebben om ze tussen oppervlakken voort te stuwen te modelleren, demonstreerden Webb en afgestudeerde student Hang Zhang een zeer nauwkeurige wiskundige benadering van hoe elektrische lading zich tussen twee isolatiematerialen beweegt.
Met andere woorden:ze gebruikten wiskunde om de beweging van ongeveer 80.000 atomen te simuleren. Die simulaties kwamen met een zeer hoge mate van precisie overeen met waarnemingen uit het echte leven. Het blijkt dat statische schokken naar alle waarschijnlijkheid een functie zijn van water, en meer specifiek van de vrije energie van verdwaalde waterionen.
Met dat raamwerk onthulden Webb en Zhang de moleculaire onderbouwing van die bekende schokken in oneindig kleine details. Ze bliezen de zwarte doos van Sundaresan wijd open. Kon Thales het maar zien.