La maggior parte delle persone ha sentito che punge afferrando una maniglia dopo aver camminato su un tappeto o visto come un palloncino si attacca a una superficie sfocata dopo alcuni istanti di sfregamento vigoroso.

Mentre gli effetti dell'elettricità statica hanno affascinato osservatori casuali e scienziati per millenni, alcuni aspetti di come l'elettricità viene generata e immagazzinata sulle superfici sono rimasti un mistero.

Ora, i ricercatori hanno scoperto maggiori dettagli sul modo in cui alcuni materiali mantengono una carica anche dopo che due superfici si sono separate, informazioni che potrebbero aiutare a migliorare i dispositivi che sfruttano tale energia come fonte di alimentazione.

"Sappiamo che l'energia generata nell'elettrificazione a contatto viene prontamente trattenuta dal materiale sotto forma di cariche elettrostatiche per ore a temperatura ambiente, " ha detto Zhong Lin Wang, Professore di Regents alla School of Materials Science and Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "La nostra ricerca ha dimostrato che esiste una potenziale barriera in superficie che impedisce alle cariche generate di tornare al solido da cui provenivano o di fuggire dalla superficie dopo il contatto".

Nella loro ricerca, che è stato segnalato a marzo nel Materiale avanzato , i ricercatori hanno scoperto che il trasferimento di elettroni è il processo dominante per l'elettrificazione del contatto tra due solidi inorganici e spiega alcune delle caratteristiche già osservate sull'elettricità statica.

"C'è stato un dibattito sull'elettrificazione dei contatti, vale a dire, se il trasferimento di carica avviene tramite elettroni o ioni e perché le cariche si mantengono sulla superficie senza una rapida dissipazione, "Ha detto Wang.

Sono passati otto anni da quando il team di Wang ha pubblicato per la prima volta la ricerca sui nanogeneratori triboelettrici, che impiegano materiali che creano una carica elettrica quando sono in movimento e potrebbero essere progettati per raccogliere energia da una varietà di fonti come il vento, correnti oceaniche o vibrazioni sonore.

"Prima usavamo solo prove ed errori per massimizzare questo effetto, " ha detto Wang. "Ma con queste nuove informazioni, possiamo progettare materiali con prestazioni migliori per la conversione di potenza."

I ricercatori hanno sviluppato un metodo che utilizza un nanogeneratore triboelettrico su scala nanometrica, composto da strati di titanio e ossido di alluminio o titanio e biossido di silicone, per aiutare a quantificare la quantità di carica che si accumula sulle superfici durante i momenti di attrito.

Il metodo era in grado di tracciare le cariche accumulate in tempo reale e funzionava su un'ampia gamma di temperature, compresi quelli molto alti. I dati dello studio hanno indicato che le caratteristiche dell'effetto triboelettrico, vale a dire, come gli elettroni scorrevano attraverso le barriere, erano coerenti con la teoria dell'emissione termoionica degli elettroni.

Progettando nanogeneratori triboelettrici in grado di resistere a test ad alte temperature, i ricercatori hanno anche scoperto che la temperatura ha svolto un ruolo importante nell'effetto triboelettrico.

"Non ci siamo mai resi conto che fosse un fenomeno dipendente dalla temperatura, " ha detto Wang. "Ma abbiamo scoperto che quando la temperatura raggiunge circa 300 gradi Celsius, il trasferimento triboelettrico quasi scompare."

I ricercatori hanno testato la capacità delle superfici di mantenere una carica a temperature comprese tra circa 80 gradi Celsius e 300 gradi Celsius. Sulla base dei loro dati, i ricercatori hanno proposto un meccanismo per spiegare il processo fisico nell'effetto della triboelettrificazione.

"Con l'aumento della temperatura, le fluttuazioni di energia degli elettroni diventano sempre più grandi, " hanno scritto i ricercatori. "Così, è più facile per gli elettroni uscire dal pozzo di potenziale, e o tornano al materiale da cui sono venuti o emettono nell'aria."