De meeste mensen hebben het huiveringwekkende effect ervaren van het wrijven van een ballon over hun hoofd of de subtiele vonk die wordt veroorzaakt door het slepen van sokken met sokken over het tapijt. Hoewel deze ervaringen vaak voorkomen, een gedetailleerd begrip van hoe ze voorkomen, is wetenschappers al meer dan 2 jaar ontgaan, 500 jaar.

Nu heeft een team van de Northwestern University een nieuw model ontwikkeld dat laat zien dat het tegen elkaar wrijven van twee objecten statische elektriciteit produceert. of tribo-elektriciteit, door de kleine uitsteeksels op het oppervlak van materialen te buigen.

Dit nieuwe begrip kan belangrijke implicaties hebben voor bestaande elektrostatische toepassingen, zoals energiewinning en printen, en om mogelijke gevaren te vermijden, zoals branden die zijn ontstaan ​​door vonken van statische elektriciteit.

Het onderzoek wordt donderdag gepubliceerd, 12 september in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven . Laurence Marks, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern, leidde de studie. Christopher Mizzi en Alex Lin, promovendi in het laboratorium van Marks, waren co-eerste auteurs van het papier.

De Griekse filosoof Thales van Milete rapporteerde voor het eerst door wrijving veroorzaakte statische elektriciteit in 600 voor Christus. Na het wrijven van barnsteen met bont, hij merkte dat de vacht stof aantrok.

"Vanaf dat moment, het is duidelijk geworden dat wrijven statische lading veroorzaakt in alle isolatoren - niet alleen vacht, "Zei Marks. "Echter, dit is min of meer waar de wetenschappelijke consensus eindigde."

Op nanoschaal is alle materialen hebben ruwe oppervlakken met talloze kleine uitsteeksels. Wanneer twee materialen met elkaar in contact komen en tegen elkaar wrijven, deze uitsteeksels buigen en vervormen.

Het team van Marks ontdekte dat deze vervormingen aanleiding geven tot spanningen die uiteindelijk statische oplading veroorzaken. Dit fenomeen wordt het "flexo-elektrisch effect, " die optreedt wanneer de scheiding van lading in een isolator voortkomt uit vervormingen zoals buigen.

Met behulp van een eenvoudig model, het Northwestern-team toonde aan dat spanningen die voortkomen uit de buigende uitsteeksels tijdens wrijven zijn, inderdaad, groot genoeg om statische elektriciteit te veroorzaken. Dit werk verklaart een aantal experimentele waarnemingen, zoals waarom ladingen worden geproduceerd, zelfs wanneer twee stukken van hetzelfde materiaal tegen elkaar worden gewreven en voorspelt experimenteel gemeten ladingen met opmerkelijke nauwkeurigheid.

"Onze bevinding suggereert dat tribo-elektriciteit, flexo-elektriciteit en wrijving zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden, "Zei Marks. "Dit biedt veel inzicht in het afstemmen van tribo-elektrische prestaties voor huidige toepassingen en het uitbreiden van functionaliteit naar nieuwe technologieën."

"Dit is een geweldig voorbeeld van hoe fundamenteel onderzoek alledaagse fenomenen kan verklaren die voorheen niet werden begrepen, en hoe onderzoek op het ene gebied - in dit geval wrijving en slijtage - kan leiden tot onverwachte vooruitgang op een ander gebied, " zei Andrew Wells, een programmadirecteur bij de National Science Foundation (NSF), die het onderzoek financierde. "NSF financiert dit soort onderzoek op het gebied van materiaalwetenschap en techniek voor nieuwe kennis die op een dag nieuwe kansen kan bieden."