Вы натираете воздушный шар о волосы, и он волшебным образом прилипает к потолку. Вы касаетесь дверной ручки – и чувствуете неприятное покалывание в пальцах. Эти знакомые с детства явления скрывают одну из самых стойких научных загадок. После столетий неопределенности и противоречивых экспериментов ученые, наконец, обнаружили ключевой секрет статического электричества.
Статическое электричество, или контактная электризация – первое знакомство человечества с электромагнитной силой. Само слово "электричество" родилось в XVII веке от греческого "электрон" (ἤλεκτρον) – янтарь. Еще в VI веке до нашей эры люди знали: потерев янтарь о шкуру животного, можно заставить его притягивать пыль.
Миллионы лет эволюции, тысячелетия научного прогресса – но механизмы этого, казалось бы, простого явления остаются глубокой тайной. Эксперименты дают противоречивые результаты, надежные открытия не воспроизводятся, ученые не могут даже предсказать, станет ли материал положительно или отрицательно заряженным при контакте с другим.
Хаос в лаборатории: охота за неуловимым зарядом
Суть контактной электризации проста: два объекта соприкасаются и обмениваются электрическим зарядом. Даже если оба изначально нейтральны, один становится положительно заряженным, другой – отрицательно. Но на этом простота заканчивается. "Невозможно предсказать на основе свойств материала, какой станет положительным, а какой отрицательным. Единственный способ узнать – попробовать", – объясняет инженер Дэниел Лакс из Университета Кейс Вестерн Резерв в Огайо.
Механизм переноса заряда – тайна. Ученые не согласны даже в том, что именно переносится. В металлах это электроны, но в других материалах могут перемещаться заряженные атомы (ионы), маленькие молекулы или даже микроскопические фрагменты самого вещества. "Никто не может найти исчерпывающего объяснения", – говорит Хуан-Карлос Собарсо, коллега Вайтукайтиса, перекрикивая шипение увлажнителя в своей экспериментальной камере.
Когда Собарсо присоединился к экспериментам, он не планировал разгадывать тайну статического электричества. Он хотел проверить гипотезу Вайтукайтиса: молекулы воды на поверхности материалов облегчают обмен зарядом. Но сначала им требовалось создать воспроизводимый эксперимент. В изучении контактной электризации это – титаническая задача. "Слишком много факторов влияет на обмен зарядом", – отмечает Собарсо.
Демонстрируя чувствительность установки, Собарсо осторожно просовывает руки в перчаточные порты камеры и берет образец – квадратик прозрачного силиконового полимера PDMS размером с ноготь. В реальном эксперименте прикосновение недопустимо – руки передадут заряд и испортят всё. Чувствительность системы колоссальна. Изначально ученые использовали резиновые перчатки, но те сами накапливали статику. После их удаления проблему создавали даже волоски на руках Собарсо. Установка антистатических заслонок на порты частично решила проблему. Но это было только начало.
Температуру и влажность воздуха внутри камеры постоянно контролировали и корректировали. Воздух фильтровали от пыли – переносчика заряда. Перед опытами образцы обдували ионизированным воздухом для нейтрализации поверхностного заряда. Собарсо изготавливал PDMS самостоятельно, чтобы точно контролировать все свойства. Сам контакт стандартизировали: моторный механизм внутри медной трубки постукивал образцами PDMS друг о друга, датчик давления гарантировал одинаковую силу каждого касания, электрометр, подключенный к трубке, измерял заряд образцов.
"Контактная зарядка чувствительна к явлениям в огромном диапазоне масштабов – от отдельных атомов на поверхности до искр, видимых невооруженным глазом", – говорит физик Ярослав Соболев из Центра алгоритмического и роботизированного синтеза в Южной Корее. Предсказать результат на макроуровне кажется невозможным, ведь одна единственная "неправильная" молекула может повлиять на поведение всего материала. Ситуация напоминает "эффект бабочки" из теории хаоса: мельчайшие изменения в системе накапливаются и приводят к совершенно разным результатам. "Крошечный эффект может иметь огромные последствия", – подтверждает Лакс.
Трибоэлектрические петли и спуск в кроличью нору
Создание работоспособной установки заняло у Собарсо и Вайтукайтиса годы проб и ошибок. "Это было очень долгое и очень разочаровывающее время", – вспоминает Вайтукайтис. Когда система наконец заработала, их ждало открытие, которое разрушило первоначальный план изучения воды: несколько образцов PDMS упорно заряжались отрицательно без видимой причины.
Ученые давно заметили тенденцию материалов заряжаться положительно или отрицательно после контакта с другими веществами. Например, стекло обычно становится положительным после касания бумаги, человек – отрицательным после прикосновения к ковру. Эти наблюдения часто сводят в списки – трибоэлектрические ряды ("трибо" – от греческого "тереть"). Первый такой ряд опубликовали в 1757 году. "Но с 1700-х годов прогресс был минимальным, потому что проблема невероятно сложна", – констатирует Лакс. Ряды, составленные разными лабораториями, часто противоречат друг другу.
Материалы могут начать с одной тенденции (например, становиться положительными), а потом внезапно изменить ее. Иногда они образуют логические петли: материал A заряжается отрицательно при контакте с B, B – отрицательно при контакте с C, но A – положительно при контакте с C. Такие ряды замыкаются сами на себя, как невозможная лестница на гравюре Эшера.
Упрямо отрицательные образцы PDMS навели Вайтукайтиса на мысль: "Мы захотели узнать, могут ли идентичные материалы, при контакте друг с другом, образовать трибоэлектрический ряд? Это привело нас в кроличью нору".
Собарсо приступил к работе. Первая же попытка дала результат: "Мы получили ряд. Идеальный ряд". Образцы заряжались относительно друг друга в аккуратной цепочке, без петель. "Мы были в полном восторге. Боже мой, мы нашли это! Никто раньше такого не делал!" Восторг длился недолго. Вайтукайтис испугался случайности и попросил повторить эксперимент. Верные трибоэлектрической природе, образцы отказались сотрудничать. Ряд рассыпался. Но Собарсо верил в первый результат. Он вернулся в лабораторию, решив воссоздать идеальный ряд с новой партией PDMS. Не вышло. В отчаянии он взял старые образцы. Опять провал. Он повторял попытку снова и снова, пока через неделю упорного труда идеальный ряд не возник снова. И на этот раз Собарсо понял почему.
Он осознал: его силиконовые квадратики "помнили" историю своих контактов. В начале опытов образцы заряжались хаотично. Попытки выстроить их в ряд давали запутанные петли. Но через несколько дней и сотни контактов хаотичное поведение сменялось порядком. Возникал четкий трибоэлектрический ряд.
В последующих экспериментах Собарсо и Вайтукайтис подтвердили: сам факт контакта меняет будущее поведение PDMS. Чем больше контактов пережил образец, тем вероятнее он заряжался отрицательно при следующем касании. "Это не подтвердило мои прежние догадки. Я был крайне удивлен, что возникнет такая самоорганизация", – признается Трой Шинброт из Университета Рутгерса в Нью-Джерси, изучающий статику.
Следы касания: гладкость как ключ
Но что именно меняет контакт? Как кусок полимера может "помнить" прикосновение? "Мы потратили на это, наверное, год. Мы испробовали все самые передовые, дорогие методы анализа поверхности, какие смогли найти. И каждый показывал: поверхности до и после контакта идентичны", – рассказывает Вайтукайтис. Прорыв случился при тщательном анализе с помощью атомно-силовой микроскопии. Ученые обнаружили: поверхности образцов, переживших множество контактов, становятся гладче на наноуровне. Как пила, у которой притупились зубья.
Поскольку механизм контактной электризации все еще неизвестен, трудно точно сказать, почему гладкая поверхность способствует отрицательному заряду. Но Вайтукайтис теперь уверен: дело не в молекулах воды. Ученые подозревают флексоэлектричество – возникновение электрического заряда при изгибе материала. Изгиб поверхности сжимает заряды в одних местах и растягивает в других. Прижатие материала к шероховатой поверхности вызывает сильный изгиб, так как он должен обтекать микроскопические пики и впадины. Поскольку PDMS сглаживается при контактах, его тенденция заряжаться отрицательно может указывать на роль флексоэлектричества в контактной электризации.
Однако Шинброт и Лакс считают, что новые данные могут соответствовать и другим механизмам зарядки. Возможно, явление "контактная электризация" объединяет несколько разных, еще не понятых процессов, которые могут отличаться для материалов, отличных от PDMS. Ключевые вопросы – какие заряды переносятся и как – остаются открытыми. Но теперь у исследователей есть мощный инструмент для поиска ответов.
Глубинная сложность простого явления
Открытие Вайтукайтиса и Собарсо выявило скрытый порядок в хаосе трибоэлектрических рядов: история контактов имеет значение. Теперь понятно, почему так много экспериментов не удавалось воспроизвести. Повторить точно такое же измерение с точно таким же образцом невозможно, потому что каждый акт контакта меняет поведение образца при следующем касании. Учет истории контактов в будущих исследованиях должен помочь разрешить вековую путаницу в этой области.
Контактная электризация завораживает именно своей кажущейся простотой. Столь обыденное явление не должно быть таким таинственным. Но привычность часто скрывает сложность. Трудности в понимании этого феномена роднят его с такими проблемами, как прогнозирование погоды, экономики, объяснение сознания и самой жизни.
Шинброт указывает, что контактная электризация – пример самоорганизующегося порядка, бросающего вызов естественному стремлению к энтропии (мере беспорядка в термодинамике). Второй закон термодинамики гласит: общая энтропия замкнутой системы не может уменьшаться. Обычно мы ожидаем, что трение, встряхивание, нагревание – любое возмущение системы – увеличивает беспорядок, разрушая организацию частиц или зарядов. В трибозарядке происходит обратное. "Вы берете два одинаковых материала, трете их друг о друга – один становится положительным. Трете сильнее – он становится еще более положительным. Что происходит с энтропией?" – вопрошает Шинброт.
Это не нарушает второй закон – энтропия может локально уменьшаться, если где-то еще она возрастает. Однако такой загадочный самоорганизующийся порядок мы обычно связываем с жизнью и сложными системами вроде экономики или климата. Для ученых, стремящихся понять Вселенную, осознание, что даже безжизненные силиконовые квадратики могут быть столь сложны, – отрезвляющая мысль.
Ученые разгадали главную причину хаоса и непредсказуемости в экспериментах со статическим электричеством (контактной электризацией). Вот что они поняли:
Что они разгадали?
Ученые разгадали причину многовековой проблемы воспроизводимости экспериментов со статикой. Они поняли, что виной всему — история контактов материала, которая физически меняет его поверхность (делает ее глаже) и, как следствие, меняет его заряд при следующих прикосновениях. Это открытие дает ключ к тому, как наконец ставить надежные и повторяемые опыты в этой области.
Ученые обнаружили, что материалы при контакте "мнутся" (становятся глаже), и это "поминание" влияет на то, какой заряд они получат. Это и было главной загадкой непредсказуемости.
-----
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости
