Otkriven razlog decenijske zagonetke: Tim ISTA otkrio je da tanak filmski sloj organskih molekula — adventitious carbon — određuje smer prenosa naboja između hemijski identičnih oksidnih površina. Eksperimenti sa akustičnom levitacijom i merenjem naboja (rezolucija ~500 elektrona) pokazali su da uklanjanje tog sloja menja smer punjenja, a efekat se vraća tokom ~10 sati. Nalaz ima značajne implikacije za industriju, vulkansku elektrodinamiku i modele formiranja planeta.
Tanki Sloj Ugljenika Razrešio Misteriju Statičkog Elektriciteta
Levitating matter with sound. Experimental setup with an acoustically levitated particle of silica. (CREDIT: Thomas Zauner/ISTA)
Trljanjem dva identična komada stakla javlja se stara, dobro poznata pojava: jedan predmet se naelektriše pozitivno, drugi negativno. Ali zašto, kad su oba ista po hemiji i uslovima, naboj uvek ide u istom smeru? Tim fizičara sa Institute of Science and Technology Austria (ISTA) identifikovao je neočekivan krivac — tanak, nevidljiv sloj organskih molekula na bazi ugljenika koji se nakuplja iz vazduha i lomi simetriju između površina.
The trace of a bouncing particle. Temporal reslice of a high-speed video of a silica particle bouncing on the plate in the acoustic levitation experimental setup. (CREDIT: Galien Grosjean)
Kako su otkrili uzrok
Istraživači su koristili akustičnu levitaciju: male sfere silike (~500 µm) su lebdele iznad ravnih ploča iste silike, a kratkim prekidima akustičnog polja sfera bi padala, odbijala se i bila ponovo zadržavana — stvarajući kontrolisane sudare bez dodirivanja pincetama ili drugim instrumentima. Merenje naboja sa rezolucijom od oko 500 elektrona omogućilo je timu da precizno prati prenos naboja pri svakom udaru.
The trace of a bouncing particle. Temporal reslice of a high-speed video of a silica particle bouncing on the plate in the acoustic levitation experimental setup. (CREDIT: Galien Grosjean)
Svaki par sfera i ploče pokazivao je dosledan, ponovljiv pravac punjenja, ali između različitih parova taj je pravac nasumično varirao: neki parovi su uvek dobijali pozitivan, drugi uvek negativan naboj. Prekid eksperimentalnog zastoja desio se kada su uzorci podvrgnuti termičkoj obradi i tretmanu plazmom — tretirani uzorci su posle toga dosledno dobijali negativan naboj, a zatim su se vraćali na početno ponašanje tokom približno 10 sati.
Charge is measured by applying a frequency-swept electric field, E(t), and extracting the trajectory of the sphere, y(t), using a high-speed camera. (CREDIT: Nature)
Adventitious Carbon: tihi upravljač naboja
Analize površina pokazale su da su tretmani uklanjali takozvani adventitious carbon — tanki, stalno prisutan film ugljenikovih organskih molekula koji kondenzuje iz atmosfere i često se smatra samo ‘‘pozadinskim šumom’’ u merenjima. Slojevi adventitious carbona oblikuju se sporo (red veličine ~10 sati nakon uklanjanja), zavise od istorije i okoline svakog uzorka i zato dva identična predmeta u istoj prostoriji mogu imati različitu pokrivenost.
Controlling charging behaviour by removing ‘natural’ adsorbates. (CREDIT: Nature)
Ključni zaključak: Kada je pokrivenost ugljenikom asimetrična, ona može u potpunosti preokrenuti ili nadjačati intrinzične triboelektrične osobine materijala.
Šire implikacije
Otkriće menja razumevanje kontaktnog naelektrisanja oksidnih izolatora i ima dalekosežne posledice: od objašnjenja nastanka vulkanske munje i transporta saharske prašine, do modela adhezije čestica u protoplanetarnim diskovima. U primeni, farmaceutska proizvodnja, proizvodnja poluprovodnika, skladištenje žitarica i druge grane koje kontrolišu statički naboj mogu koristiti upravljanje karbonskim slojem kao novi alat.
Za svemirske misije nalaz znači dodatnu opreznost: na Mesecu i u vakuumskim uslovima pokrivenost površina organskim karbonskim filmom je drugačija ili odsutna, pa će se i ponašanje triboelektričnog punjenja između čestica verovatno razlikovati od zemaljskih eksperimentalnih očekivanja.
Rezultati su objavljeni u časopisu Nature, a istraživanje potpisuje tim sa ISTA, sa Galienom Grosjeanom kao prvim autorom i Scottom Waitukaitisom kao vođom grupe.
Pomozite nam da budemo bolji.
