Трибоэлектрическая зарядка заставляет тонер из копировального аппарата или лазерного принтера прилипать к бумаге и, вероятно, способствует образованию планет из космической пыли и возникновению жизни на Земле.Но заряды также могут быть разрушительными, вызывая смертельные взрывы угольной пыли в шахтах, а также сахарной и мучной пыли на предприятиях пищевой промышленности.Новое исследование, проведенное Университетом Кейс Вестерн Резерв, показывает, что крошечные отверстия и трещины в материале — изменения микроструктуры — могут контролировать то, как материал становится электрически заряженным в результате трения.
По словам исследователей, это исследование является шагом к пониманию и, в конечном итоге, к управлению процессом зарядки для конкретных целей и повышению безопасности. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Materials.
«Электростатический заряд можно увидеть повсюду, но мы заметили некоторые случаи, когда казалось, что материалы заряжаются больше — например, воздушный шар, натертый на вашей голове, или упаковка арахиса, прилипающего к вашей руке, когда вы кладете руку в пакет», — сказал Дэн Лакс, председатель кафедрой химической и биомолекулярной инженерии и одним из ведущих авторов исследования.«Наша идея заключалась в том, что нагрузка на материалы вызывает повышенную склонность материалов к заряжению», — сказал Лакс. «После выдувания полистирола для создания пенополистирола, из которого состоит арахис, материал сохраняет это отличное поведение при зарядке на неопределенный срок».Тестируем идеюУченым давно известно, что трение двух материалов, например воздушного шара, о волосы вызывает электростатический заряд.
Чтобы проверить теорию о том, что деформация влияет на зарядку, исследователи растянули пленку политетрафторэтина (ПТФЭ) и натерли ее о пленку из недеформированного ПТФЭ.«Эксперименты с трибоэлектрической зарядкой широко известны своими — как некоторые сказали бы — очаровательно противоречивыми результатами, — сказал Эндрю Ван, аспирант Case Western Reserve и соавтор, руководивший работой. «Что меня изначально удивило, так это стабильность результатов зарядки без напряжения и с напряжением».Лакс, Ван и Мохан Шанкаран, профессор химической инженерии и другой ведущий автор исследования, неоднократно обнаруживали систематический перенос заряда в одном направлении, как если бы материалы были сделаны из двух разных химических составов.После трения ненапряженная пленка явно имела отрицательный заряд, а деформированная пленка — положительный.
Результаты не были последовательными в 100% случаев, но были статистически значимыми.Напротив, натертые друг с другом ненапряженные пленки и натертые друг с другом натянутые пленки заряжались случайным образом.
Анализ результатовСотрудники Университета Билкент в Анкаре, Турция, использовали дифракцию рентгеновских лучей и рамановскую спектроскопию для анализа образцов напряженных и недеформированных пленок и обнаружили на атомном уровне, что они выглядели почти одинаково.Единственным заметным отличием деформированной пленки от недеформированной пленки было наличие в материале пустот — отверстий и трещин, созданных растяжением, которые изменяли микроструктуру. Некоторые отверстия и трещины были обнаружены невооруженным глазом, в то время как другие были настолько малы, что требовали помощи сканирующего электронного микроскопа.
Исследователи создали молекулярное моделирование напряженных материалов на компьютере, которое показало рождение пустот, но никаких других значительных изменений. Это также указывает на то, что изменение микроструктуры является вероятной причиной систематического переноса заряда.
«Мы думаем, что пустотные области и фибриллы, которые мы видим вокруг них, когда мы деформируем полимер, имеют разные связи и, следовательно, заряжаются по-разному», — сказал Лакс.Шанкаран сказал, что хотя эксперимент был сосредоточен на одном материале, деформация может повлиять на все материалы. «Мы приложили большие усилия к PTFE, потому что нам нужны были большие эффекты», — сказал он. «Все материалы могут иметь небольшую нагрузку при обработке».
Следующие шагиВ настоящее время исследователи сосредотачиваются на гранулированных материалах, а также на других полимерах, в том числе на арахисе из полистирола и полиэтиленовых пакетах.
Они надеются понять научные основы трибоэлектрической зарядки и затем управлять процессом. Цель: предотвратить повреждение и взрывы или использовать заряд для полезных целей, например, заряженных сельскохозяйственных пестицидов, которые лучше прилипают к растениям, или краски для автомобилей или даже автозагара. Лучшая адгезия уменьшит количество наносимого и потраченного впустую.
По словам Ванга, помимо земного использования, эти приложения и стратегии смягчения могут быть более актуальными в ближайшие годы, поскольку пилотируемые и беспилотные космические миссии имеют дело с луной, Марсом и астероидной пылью.