De meeste mensen hebben die prikkel gevoeld van het grijpen van een deurknop nadat ze over een tapijt hebben gelopen of hebben gezien hoe een ballon na een paar ogenblikken krachtig wrijven aan een pluizig oppervlak blijft kleven.

Terwijl de effecten van statische elektriciteit al millennia fascinerend zijn voor toevallige waarnemers en wetenschappers, bepaalde aspecten van hoe de elektriciteit wordt opgewekt en opgeslagen op oppervlakken is een mysterie gebleven.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben meer details ontdekt over de manier waarop bepaalde materialen een lading vasthouden, zelfs nadat twee oppervlakken van elkaar gescheiden zijn, informatie die kan helpen bij het verbeteren van apparaten die dergelijke energie als stroombron gebruiken.

"We weten dat energie die wordt gegenereerd bij contactelektrificatie gemakkelijk door het materiaal wordt vastgehouden als elektrostatische ladingen gedurende uren bij kamertemperatuur, " zei Zhong Lin Wang, Regents' Professor aan de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Ons onderzoek toonde aan dat er een potentiële barrière aan het oppervlak is die voorkomt dat de gegenereerde ladingen terugvloeien naar de vaste stof waar ze vandaan kwamen of ontsnappen van het oppervlak na het contact."

In hun onderzoek hebben die werd gemeld in maart in de Geavanceerde materialen , de onderzoekers ontdekten dat elektronenoverdracht het dominante proces is voor contactelektrificatie tussen twee anorganische vaste stoffen en verklaart enkele van de kenmerken die al zijn waargenomen over statische elektriciteit.

"Er is enige discussie geweest over contactelektrificatie - namelijk, of de ladingsoverdracht plaatsvindt via elektronen of ionen en waarom de ladingen aan het oppervlak blijven zonder een snelle dissipatie, ' zei Wang.

Het is acht jaar geleden dat Wang's team voor het eerst onderzoek publiceerde naar tribo-elektrische nanogeneratoren. die materialen gebruiken die een elektrische lading creëren wanneer ze in beweging zijn en die kunnen worden ontworpen om energie te oogsten uit verschillende bronnen zoals wind, oceaanstromingen of geluidstrillingen.

"Vroeger gebruikten we gewoon vallen en opstaan ​​​​om dit effect te maximaliseren, " zei Wang. "Maar met deze nieuwe informatie, we kunnen materialen ontwerpen die betere prestaties leveren voor stroomconversie."

De onderzoekers ontwikkelden een methode met behulp van een tribo-elektrische nanogenerator op nanoschaal - samengesteld uit lagen van titanium en aluminiumoxide of titanium en siliconendioxide - om de hoeveelheid lading te helpen kwantificeren die zich op oppervlakken ophoopt tijdens momenten van wrijving.

De methode was in staat om de geaccumuleerde ladingen in realtime te volgen en werkte over een breed temperatuurbereik, inclusief zeer hoge. De gegevens van de studie gaven aan dat de kenmerken van het tribo-elektrisch effect, namelijk, hoe elektronen over barrières stroomden, waren consistent met de elektronenthermionische emissietheorie.

Door tribo-elektrische nanogeneratoren te ontwerpen die bestand zijn tegen testen bij hoge temperaturen, de onderzoekers ontdekten ook dat temperatuur een belangrijke rol speelde in het tribo-elektrische effect.

"We hebben ons nooit gerealiseerd dat het een temperatuurafhankelijk fenomeen was, " zei Wang. "Maar we ontdekten dat wanneer de temperatuur ongeveer 300 graden Celsius bereikt, de tribo-elektrische overdracht verdwijnt bijna."

De onderzoekers testten het vermogen van oppervlakken om een ​​lading te behouden bij temperaturen van ongeveer 80 graden Celsius tot 300 graden Celsius. Op basis van hun gegevens, de onderzoekers stelden een mechanisme voor om het natuurkundige proces in het tribo-elektrificatie-effect te verklaren.

"Als de temperatuur stijgt, de energieschommelingen van elektronen worden steeds groter, " schreven de onderzoekers. "Dus, het is gemakkelijker voor elektronen om uit de potentiaalput te springen, en ze gaan ofwel terug naar het materiaal waar ze vandaan kwamen of stoten uit in de lucht."