Ora i ricercatori di Princeton hanno dato nuova vita all’elettricità statica. Utilizzando milioni di ore di tempo di calcolo per eseguire simulazioni dettagliate, i ricercatori hanno trovato un modo per descrivere la carica statica atomo per atomo con la matematica del calore e del lavoro. Il loro articolo, "Forze motrici termodinamiche nell'elettrificazione a contatto tra materiali polimerici", appare in Nature Communications .

Lo studio ha esaminato specificamente il modo in cui la carica si muove tra materiali che non consentono il libero flusso di elettroni, chiamati materiali isolanti, come il vinile e l’acrilico. I ricercatori hanno affermato che non esiste una visione consolidata sui meccanismi che guidano queste scosse, nonostante l'ubiquità dell'elettricità statica:il crepitio e lo schiocco dei vestiti tirati da un'asciugatrice, le noccioline dell'imballaggio che si attaccano a una scatola.

"Sappiamo che non si tratta di elettroni", ha detto Mike Webb, assistente professore di ingegneria chimica e biologica, che ha condotto lo studio. "Che cos'è?"

Webb si è posto questa domanda per la prima volta quando era ricercatore post-dottorato presso l'Università di Chicago. Se ne chiese perplesso con i colleghi, sconcertato dal fatto che un fenomeno così comune potesse essere così poco compreso. Ma più guardavano, più le domande diventavano insormontabili. "Sembrava semplicemente fuori portata", ha detto.

Era fuori portata da quando Talete di Mileto strofinò per la prima volta l'ambra con la pelliccia e osservò l'ambra (greco:elektron) raccogliere piume e polvere, 26 secoli fa. Talete fu una delle prime persone a spiegare la natura attraverso la ragione piuttosto che con le forze soprannaturali. Ha svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo della filosofia e infine della scienza. Nonostante la profondità e l’ampiezza della conoscenza accumulata nei millenni successivi, nonostante la miriade di tecnologie nate da quella conoscenza, la scienza, in tutto quel tempo, non ha mai ceduto alla staticità. Forse non lo sarebbe mai.

A Princeton, Webb ha avuto modo di parlare con il suo collega Sankaran Sundaresan, uno dei massimi esperti in ingegneria delle reazioni chimiche specializzato nel flusso di materiali in camere gassose. In quegli ambienti, carichi di sostanze chimiche volatili, una scintilla vagante potrebbe essere mortale. Sundaresan ha lavorato con la carica statica per decenni, utilizzando dati sperimentali affidabili per prevedere ma non comprendere appieno il modo in cui la carica si muoveva in questi sistemi.

"Lo tratto come una scatola nera", ha detto Sundaresan, il professore di ingegneria Norman John Sollenberger. "Facciamo alcuni esperimenti e gli esperimenti mi dicono:questo è ciò che succede. Questa è la carica." Lavora al limite e annota attentamente ciò che vede. Ciò che accade all'interno della scatola nera rimane un mistero.

Una cosa che trovi ovunque guardi, però, secondo Sundaresan, sono tracce di acqua. Le molecole d’acqua cariche sono ovunque, in quasi ogni cosa, attaccate praticamente a ogni superficie della Terra. Anche in condizioni estremamente aride, sotto calore intenso, gli ioni d'acqua vaganti si accumulano in oasi microscopiche che ospitano carica elettrica.

Per inciso, Thales è meglio conosciuto non per il suo lavoro sull’elettricità ma per un progetto ancora più grandioso. Propose che tutta la natura fosse fatta d'acqua, che l'acqua fosse la sostanza Ur, la sostanza essenziale. È stato il primo tentativo di una teoria unificata del tutto. Aristotele ha scritto tutto.

Nel corso della carriera di Sundaresan, lui e i suoi colleghi hanno rimpicciolito quella scatola nera in modo che i misteri siano stati spinti sempre più in profondità. Ma rimangono misteri.

La conversazione tra lui e Webb ha portato a una reciproca realizzazione. Sundaresan aveva decenni di conoscenza dei dati dei reattori e Webb poteva applicare sofisticate tecniche computazionali su scala atomica per osservare questi ioni d'acqua dal punto di vista della termodinamica.

Quanta energia occorrerebbe affinché uno ione d'acqua sfrecci da una superficie all'altra? Forse questo spiegherebbe cosa stava succedendo nella scatola nera di Sundaresan. Il puzzle irrisolto dei giorni post-doc di Webb è stato sbloccato.

Modellando la relazione tra le molecole d'acqua cariche e la quantità di energia che tali molecole hanno a disposizione per spingerle tra le superfici, Webb e lo studente laureato Hang Zhang hanno dimostrato un'approssimazione matematica molto precisa di come la carica elettrica si muove tra due materiali isolanti.

In altre parole, hanno usato la matematica per simulare il movimento di circa 80.000 atomi. Tali simulazioni corrispondevano alle osservazioni della vita reale con un altissimo grado di precisione. Si scopre che, con ogni probabilità, lo shock statico è una funzione dell'acqua e, più specificamente, dell'energia libera degli ioni d'acqua vaganti.

Con questo quadro, Webb e Zhang hanno rivelato le basi molecolari di quegli shock familiari con dettagli infinitesimali. Hanno spalancato la scatola nera di Sundaresan. Se solo Talete potesse vedere.