Per secoli, gli scienziati hanno cercato di capire la carica triboelettrica, comunemente nota come elettricità statica.

La carica triboelettrica fa sì che il toner di una fotocopiatrice o di una stampante laser si attacchi alla carta, e probabilmente ha facilitato la formazione di pianeti dalla polvere spaziale e l'origine della vita sulla terra.

Ma le accuse possono anche essere distruttive, scatenando esplosioni mortali di polvere di carbone nelle miniere e di zucchero e polvere di farina negli impianti di trasformazione alimentare.

Una nuova ricerca condotta dalla Case Western Reserve University indica che piccoli fori e crepe in un materiale, cambiamenti nella microstruttura, possono controllare il modo in cui il materiale si carica elettricamente per attrito.

La ricerca è un passo verso la comprensione e, in definitiva, gestire il processo di ricarica per usi specifici e aumentare la sicurezza, dicono i ricercatori. Lo studio è pubblicato sulla rivista Materiali per la revisione fisica .

"La carica elettrostatica è visibile ovunque, ma abbiamo notato alcuni casi in cui i materiali sembravano caricarsi di più, come un palloncino strofinato sulla testa, o impacchettare noccioline che ti si attaccano al braccio quando raggiungi un pacchetto, " ha detto Dan Manca, presidente del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e uno degli autori principali dello studio.

"La nostra idea era che uno sforzo sui materiali stesse causando una maggiore propensione alla carica dei materiali, " Manca ha detto. "Dopo aver soffiato il polistirolo per creare il polistirene espanso che comprende l'arachide, il materiale mantiene questo comportamento di carica distinto indefinitamente."

Testare l'idea

Gli scienziati sanno da tempo che sfregare due materiali, come un palloncino sui capelli, provoca cariche elettrostatiche. Per testare la teoria secondo cui la deformazione influisce sulla carica, i ricercatori hanno allungato un film di politetrafluoroetilene (PTFE) e lo hanno strofinato contro un film di PTFE non teso.

"Gli esperimenti di carica triboelettrica sono generalmente noti per i loro, come direbbero alcuni, risultati piacevolmente inconsistenti, " ha detto Andrew Wang, uno studente di dottorato e coautore della Case Western Reserve che ha guidato il lavoro. "Ciò che mi ha sorpreso, inizialmente, era la coerenza dei risultati di carica non tesa rispetto a quella tesa."

manca, Wang e Mohan Sankaran, professore di ingegneria chimica e l'altro autore principale dello studio, trovato ripetutamente un trasferimento di carica sistematico in una direzione, come se i materiali fossero costituiti da due diverse composizioni chimiche.

Dopo lo sfregamento, i film non tesi tendevano chiaramente a portare una carica negativa e il film teso una carica positiva. Il risultato non è stato coerente il 100% delle volte, ma statisticamente significativo.

In contrasto, le pellicole non tese strofinate insieme e le pellicole tese strofinate insieme sembravano caricarsi a caso.

Analizzando i risultati

Collaboratori presso la Bilkent University, ad Ankara, Tacchino, ha utilizzato la diffrazione dei raggi X e la spettroscopia Raman per analizzare campioni di film tesi e non tesi e trovati a livello atomico, sembravano quasi uguali.

L'unica differenza rilevabile nel film teso rispetto al film non teso era la presenza di vuoti nel materiale:fori e fratture creati dallo stiramento, che ha modificato la microstruttura. Alcuni fori e fratture sono stati rilevati ad occhio nudo, mentre altri erano così piccoli da richiedere l'ausilio di un microscopio elettronico a scansione.

I ricercatori hanno creato simulazioni molecolari di materiali tesi su un computer, che ha mostrato la nascita dei vuoti ma nessun altro cambiamento significativo. Ciò ha ulteriormente indicato che il cambiamento nella microstruttura è la probabile causa del trasferimento sistematico di carica.

"Pensiamo che le regioni vuote e le fibrille che vediamo intorno a loro quando sforziamo il polimero abbiano legami diversi e quindi si carichino in modo diverso, " Manca detto.

Sebbene l'esperimento si sia concentrato su un materiale, la deformazione può interessare tutti i materiali, ha detto Sankara. "La tensione che abbiamo messo sul PTFE era grande perché stavamo cercando grandi effetti, " ha detto. "Tutti i materiali possono avere un piccolo sforzo dalla lavorazione."

Prossimi passi

I ricercatori si stanno ora concentrando su materiali granulari e altri polimeri, comprese le noccioline di polistirolo e i sacchetti di plastica.

Sperano di comprendere le basi scientifiche della ricarica triboelettrica e quindi di controllare il processo. L'obiettivo:prevenire danni ed esplosioni o sfruttare la ricarica per usi benefici, come pesticidi agricoli carichi che si attaccano meglio alle piante, o vernici per auto o anche spray abbronzanti. Una migliore adesione ridurrebbe le quantità applicate e gli sprechi.

Al di là degli usi terreni, Wang ha detto, queste applicazioni e strategie di mitigazione potrebbero essere più pertinenti nei prossimi anni poiché le missioni spaziali con e senza equipaggio si occupano della luna, Marte e polvere di asteroidi.