Eeuwenlang, wetenschappers hebben geprobeerd tribo-elektrisch opladen te begrijpen, algemeen bekend als statische elektriciteit.

Tribo-elektrisch opladen zorgt ervoor dat toner van een fotokopieerapparaat of laserprinter aan papier blijft kleven, en heeft waarschijnlijk de vorming van planeten uit ruimtestof en de oorsprong van leven op aarde vergemakkelijkt.

Maar de ladingen kunnen ook destructief zijn, dodelijke explosies van kolenstof in mijnen en van suiker- en meelstof in voedselverwerkende fabrieken veroorzaken.

Nieuw onderzoek onder leiding van Case Western Reserve University geeft aan dat kleine gaatjes en scheurtjes in een materiaal - veranderingen in de microstructuur - kunnen bepalen hoe het materiaal elektrisch wordt geladen door wrijving.

Het onderzoek is een stap in de richting van begrip en, uiteindelijk, het beheer van het laadproces voor specifieke toepassingen en om de veiligheid te vergroten, zeggen de onderzoekers. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Fysiek beoordelingsmateriaal .

"Elektrostatische oplading is overal te zien, maar we merkten enkele gevallen op waarin materialen meer leken op te laden, zoals een ballon die over je hoofd werd gewreven, of pinda's inpakken die aan je arm kleven als je in een pakket reikt, " zei Dan Lacks, voorzitter van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering en een van de hoofdauteurs van de studie.

"Ons idee was dat een belasting van de materialen ervoor zorgde dat de materialen sneller geladen zouden worden, " zei Lacks. "Na het blazen van polystyreen om het geëxpandeerde polystyreen te maken waaruit de pinda bestaat, het materiaal handhaaft dit onderscheidende laadgedrag voor onbepaalde tijd."

Het idee testen

Wetenschappers weten al lang dat het wrijven van twee materialen, zoals een ballon op haar, veroorzaakt elektrostatische oplading. Om de theorie te testen dat spanning het opladen beïnvloedt, de onderzoekers spanden een film van polytetrafluorethlyne (PTFE) en wreven die tegen een film van ongespannen PTFE.

"Tribo-elektrische oplaadexperimenten staan ​​algemeen bekend om hun - zoals sommigen zouden zeggen - charmant inconsistente resultaten, " zei Andrew Wang, een Case Western Reserve-promovendus en co-auteur die het werk leidde. "Wat me verbaasde, aanvankelijk, was de consistentie van de ongespannen versus gespannen laadresultaten."

gebreken, Wang en Mohan Sankaran, hoogleraar chemische technologie en de andere hoofdauteur van de studie, vond herhaaldelijk een systematische ladingsoverdracht in één richting, alsof de materialen zijn gemaakt van twee verschillende chemische samenstellingen.

Na het wrijven, ongespannen films hadden duidelijk de neiging een negatieve lading te dragen en de gespannen film een ​​positieve lading. De bevinding was niet 100 procent van de tijd consistent, maar statistisch significant.

In tegenstelling tot, ongespannen films die tegen elkaar werden gewreven en gespannen films die tegen elkaar werden gewreven, leken willekeurig op te laden.

De resultaten analyseren

Medewerkers van Bilkent University, in Ankara, Kalkoen, gebruikte röntgendiffractie en Raman-spectroscopie om monsters van gespannen en niet-gespannen films te analyseren en gevonden op atomair niveau, ze zagen er bijna hetzelfde uit.

Het enige waarneembare verschil tussen de gespannen film en de niet-gespannen film was de aanwezigheid van holtes in het materiaal - gaten en breuken gecreëerd door uitrekken, waardoor de microstructuur veranderde. Sommige gaten en breuken werden met het blote oog gedetecteerd, terwijl andere zo klein waren dat ze de hulp van een scanning elektronenmicroscoop nodig hadden.

De onderzoekers maakten moleculaire simulaties van gespannen materialen op een computer, die de geboorte van de holtes liet zien, maar geen andere significante veranderingen. Dat gaf verder aan dat de verandering in microstructuur de waarschijnlijke oorzaak is van de systematische ladingsoverdracht.

"We denken dat de lege gebieden en de fibrillen die we eromheen zien wanneer we het polymeer belasten, verschillende bindingen hebben en dus anders opladen, ’ zei Lacks.

Hoewel het experiment zich op één materiaal concentreerde, spanning kan alle materialen aantasten, zei Sankaran. "De druk die we op de PTFE uitoefenden was groot omdat we op zoek waren naar grote effecten, " zei hij. "Alle materialen kunnen een beetje spanning hebben door de verwerking."

Volgende stappen

De onderzoekers richten zich nu zowel op korrelige materialen als op andere polymeren, inclusief polystyreen pinda's en plastic zakken.

Ze hopen de wetenschappelijke basis van tribo-elektrisch opladen te begrijpen en vervolgens het proces te beheersen. Het doel:schade en explosies voorkomen of het opladen gebruiken voor nuttige toepassingen, zoals geladen landbouwbestrijdingsmiddelen die beter aan planten hechten, of verf voor auto's of zelfs spray tans. Een betere hechting zou de aangebrachte en verspilde hoeveelheden verminderen.

Voorbij aards gebruik, Wang zei, deze toepassingen en mitigatiestrategieën kunnen de komende jaren relevanter zijn, aangezien bemande en onbemande ruimtemissies te maken hebben met maan, Mars en asteroïde stof.