Yüzyıllar boyunca statik elektrik entrika ve bilimsel soruşturma konusu olmuştur. Şimdi, Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (ISTA) Waitukaitis Grubu’ndan araştırmacılar, bu kalıcı gizem için hayati bir ipucu ortaya çıkardılar: Malzemelerin temas tarihi, suçlamaları nasıl değiştirdiklerini kontrol ediyor.
Yayınlanan bulgular Doğatemas elektrifikasyonunun öngörülemezliğini, uzun zamandır kaos olarak kabul edilenden çıkarma düzenini açıklayın.
Bir kapı tokmağına dokunurken küçük bir elektrik sarsıntısından, yaramaz bir kedinin kürküne yapışan strafor fıstıklarına-iyi bilinen ve görünüşte statik elektrik fenomeni, antik çağdan beri insanları şaşırttı. Bedazzled çocuklara saçlarına bir balon ovarak sık sık gösterilen bu her yerde bulunan etki, hala bilim adamları tarafından tam olarak anlaşılamazdı?
Statik elektrik birden fazla isimle gider, ancak bilim adamları buna “iletişim elektrifikasyonu” demeyi tercih ederler. “Statik elektrik” adının ne olabileceğinin aksine, etkinin özü statik değildir, ancak hareketi içerir, çünkü bazı yükler elektriksel olarak nötr malzeme dokunduğunda bir miktar yük aktarılır.
Bilim ve Teknoloji Enstitüsü Avusturya Yardımcı Doçenti Scott Waitukaitis, “Kaçan temas elektrifikasyonu yok; herkes bunu deneyimliyor. Bu yüzden tam olarak nasıl olduğunu anlamadığımız için bir sürpriz olarak ortaya çıkabilir” diyor. ISTA) ISTA Ph.D. Öğrenci Juan Carlos Sobarzo.
Şimdi, takım yüzyıllardır bilinmeyen bir bulmacanın önemli bir parçasını ortaya çıkardı. “Temas elektrifikasyonunu etkileyebilecek farklı parametreleri test ettik, ancak hiçbiri sonuçlarımızı sağlam bir şekilde açıklayamadı. Düşünmeyi bıraktık: Ya şarj davranışını etkileyen temas kendisi ise? ‘İletişim’ kelimesi zaten adında, Yine de yaygın olarak gözden kaçtı, “diyor Sobarzo.
‘Tam bir karmaşa’
Fenomenin her yerde bulunmasına rağmen, farklı materyallerin temas elektrifikasyonuna nasıl girdiğini anlamak, yüzyıllardır fizikçileri ve kimyagerlerden kaçındı. Bilim adamları 1950’lerde metallerin mekanizmasını tanımlayabilmelerine rağmen, elektrik izolatörleri, en çok suçlanan malzemeler olsa da, anlamaları daha zor oldu.
Tarihsel olarak, birkaç çalışma, izolatörlerin, en olumlu olandan en olumsuzluğa kadar değiş tokuş oldukları yük belirtisine göre sipariş edilebileceğini öne sürmüştür. Örneğin, cam seramik ve seramik için olumlu şarj ederse, ahşapla aynı şeyi yaparsa, cam (genellikle) ahşaba olumlu yükler. Böylece, cam, seramik ve ahşap sözde “triboelektrik serisi” oluşturur.
Waitukaitis’e göre bu triboelektrik serilerle ilgili sorun, farklı araştırmacıların farklı siparişler alması ve bazen aynı araştırmacının kendi deneylerini tekrar yaptıklarında aynı siparişi iki kez alamamasıdır.
“Yalıtım malzemelerinin yükümlülüğü nasıl çok uzun süre tam bir karmaşa gibi göründüğünü anlamak: deneyler çılgınca öngörülemez ve bazen tamamen rastgele görünebilir” diyor.
Bu “toplam karmaşa” ışığında, fizikçiler ve maddi bilim adamları mekanizmayı açıklamak için herhangi bir model üzerinde anlaşamıyorlardı. Daha da kötüsü, iki balon gibi özdeş malzemelerin bile şarj ettiği rahatsız edici gerçeğiyle başa çıkmak zorunda kaldılar. Sonuçta, malzemelerin aynı olması gerekiyordu, bu yüzden yükün nereye gittiğini belirleyen nedir?
Kaos’tan kaynaklanan sipariş
Waitukaitis ve Sobarzo, bu “aynı malzemeli” temas elektrifikasyonunun, etkiyi daha geniş anlamanın anahtarlarını tutabileceğini söyledi.
“Özdeş” materyallerle çalışarak, serbest değişken sayısını minimumda azalttılar – sadece örnekleri farklı kılan tek şeyi bulmak zorunda kaldılar. Malzemeleri için, plastik benzeri bloklar yaptıkları berrak silikon bazlı bir polimer olan polidimetilsiloksan (PDMS) seçtiler.
Bu noktada, aynı malzemelerin neden yüklenen yükü, yüzey özelliklerinin rastgele varyasyonları olduğu için önde gelen hipotez. Sinir bozucu bir şekilde, ekibin ilk sonuçları rastgele ve öngörülemezliği de yansıtıyordu.
Henüz bir rol oynamak için örneklerin temas geçmişinden şüphelenmedikçe, bazen aynı örnekleri kullanarak, her ek temasta geliştiğinden tamamen habersiz olan çeşitli koşulları test ediyorlardı. Araştırmayı nereden alacağınızı keşfederek, özdeş PDMS örneklerinin bir triboelektrik seriye sipariş edip etmeyeceğini test etmeyi düşündüler.
Sobarzo, “Elimdeki bir dizi örnek aldım – sonra onları birden fazla deney için yeniden kullanırdım – ve inançsızlığım için ilk denemede bir dizi sipariş ettiklerini gördüm.”
Bu beklenmedik sonuçtan heyecan duyan ekip, deneyi taze örneklerle tekrarlamaya çalıştı, ancak rastgele sonuçları tekrar görmek için hızla hayal kırıklığına uğradı.
Sobarzo, “Bu noktada havluya atılabilirdik” diyor. “Ancak, ertesi gün aynı örnek seti ile tekrar denemeye karar verdim. Sonuçlar daha iyi görünüyordu, bu yüzden beşinci denemede örnekler mükemmel bir seri sipariş edene kadar denemeye devam ettim.”
Sobarzo, eski örneklerin neden ilk denemede çalıştığı cevabına rastlamıştı. Tekrarlanan temas bir şekilde numunelerin gelişmesine izin verdi.
Waitukaitis, “Örneklerin temas geçmişini izlemeye başlar başlamaz, rastgelelik ve kaos aslında mükemmel bir mantıklıydı” diyor.
Gerçekten de ekip, örneklerin yaklaşık 200 temastan sonra tahmin edilemez davranmaya başladığını ve daha fazla “temas edilen” örneğin, daha düşük temas geçmişine sahip olana sürekli olarak yüklendiğini buldu. Araştırmacılar, PDMS örneklerinin, kontak sayısı ve deney sırası kontrol edilirse, “önceden tasarlanmış” bir triboelektrik serisi oluşturabileceğini bile gösterdiler.
Daha pürüzsüz bir yüzey
Bir örneğin temas geçmişinin suçlama şeklini kontrol edebileceği fikri hiç önerilmedi. Bununla birlikte, ekip neden bu kadar çok temas elektrifikasyon deneyinin rastgele ve kontrol edilemez göründüğünü açıklıyor.
Yine de bir soru var – temas eylemi örnekleri nasıl değiştiriyor? Böylece, ekip temastan önce ve sonra örneklerde yüzeye duyarlı çeşitli teknikler kullanarak daha da ileriye doğru itti. Araştırdıkları tüm parametreler arasında, sadece biri hiç bir ipucu sağladı: Malzemelerin yüzey pürüzlülüğünde nanoskopik ölçekte ayrı değişiklikler tespit ettiler.
Daha somut olarak, temasların bir malzemenin yüzeyindeki en küçük çarpmaları düzelttiğini gösterdiler. Bunun nasıl temas Elektriklemesine neden olduğu ekibin bilmediği, ancak tespit edebilecekleri tek değişiklik olduğu için son derece müstehcendir.
Sobarzo, “Elektrik ve elektrostatik anlayışımız için çok temel olan ve yine de bilim adamlarını bu kadar uzun süre şaşkına çeviren zor bir mekanizmaya büyük bir ipucu ortaya çıkarmayı başardık” diyor.
Waitukaitis, “Statik elektrik biliminin artık umutsuz olmadığını gösterdik.”
