250 metų senumo statinės elektros veikimo mįslės sprendimas ()
Galbūt manote, kad žinote, kas yra statinė elektra, tačiau jos tikroji prigimtis ilgą laiką buvo paslaptis mokslininkams. Dabar mes žengėme didžiulį žingsnį link galutinio jos išsiaiškinimo.

© https://www.recraft.ai/invite/H8FEz1qUZ8
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Kai patrinate balioną į plaukus, kad jis pakiltų ir priliptų, tikriausiai nemanote, kad tai yra viena iš giliausių ir keisčiausių mokslo mįslių. Kai ištiesi ranką atidaryti duris, ir pirštas paliečia durų rankeną, tai neatrodo kaip neįmanoma paaiškinti mįslė. Taip pat ir kai iš džiovyklos išimtos kojinės prilimpa prie marškinių vidaus.
Statinė elektra – arba, kaip mokslininkai ją vadina, kontaktinis įelektrinimas – buvo pirmasis mūsų rūšies susidūrimas su elektromagnetine jėga. Žodis „elektra“ buvo sukurtas XVII a. ir kilęs iš graikų kalbos žodžio \(ἤλεκτρον\) (ēlektron), reiškiančio gintarą. Jau VI a. pr. m. e. senovės žmonės žinojo, kad gintaras, trinamas gyvūno kailiu, „gyvena“ ir pradeda traukti dulkes. Mūsų rūšis turėjo tūkstančius metų susipažinti su kontaktine elektrifikacija, todėl galbūt stebina, kad vis dar mažai žinome apie jos veikimą.
„Viskas yra nežinoma“, – sako fizikas Scott Waitukaitis iš Austrijos mokslo ir technologijų instituto. Skirtingi tyrėjai pateikia skirtingus tų pačių eksperimentų rezultatus. Atrodytų, patikimi rezultatai nepasikartoja. Mokslininkai netgi negali išsiaiškinti, kurios medžiagos liečiantis su kitomis medžiagomis tampa teigiamos ar neigiamos. „Mes netgi negalime priversti eksperimentų elgtis taip, kaip norime“, – priduria Waitukaitis.
Tačiau bent pastaroji dalis jau ima keistis. Waitukaitis su kolegomis neseniai atrado paslėptą taisyklę, padedančią paaiškinti statinės elektros nepastovumą: objektų krūvio mainai juos palietus nėra nekintama, būdinga savybė, o greičiau jų istorijos rezultatas. Mėginiai „prisimena“ ankstesnius kontaktus.. Pažanga srityje, liūdnai garsėjančioje jos nebuvimu, reiškia, kad kai kurie fizikai šį atradimą vadina „dideliu dalyku“, kuris turėtų paskatinti kitus peržiūrėti savo eksperimentus, susijusius su šiuo reiškiniu. Kiti atkreipia dėmesį į keistą realybę, kad sistemingas šio iš pažiūros paprasto reiškinio, su kuriuo susiduria dauguma žmonių, bet apie kurį mažai kas galvoja, veikimas pradeda aiškėti tik dabar.
Statinės elektros išpainiojimas
|
Kontaktinis elektrinimas yra tai, ką reiškia pats žodis: elektrinimas per kontaktą. Tai įvyksta, kai du objektai susiliečia ir kažkaip apsikeičia elektros krūviu. Net jei abu objektai pradžioje yra neutralūs, o jų krūviai subalansuoti, vienas tampa teigiamas, o kitas – neigiamas. „Nėra jokio būdo pagal medžiagos savybes nuspėti, kuris bus teigiamas, o kuris neigiamas. Vienintelis būdas tai sužinoti – pabandyti“, – sako inžinierius Daniel Lacks iš Ohajo valstijos Case Western Reserve universiteto.
Taip pat nežinoma, kaip vyksta krūvio perdavimas. Iš tiesų, mokslininkai vis dar nesutaria, kas iš tiesų yra perduodama – metaluose tai elektronai, tačiau kitos medžiagos gali keistis įkrauta atomais ar mažomis molekulėmis, ar netgi ištisais medžiagos gabalėliais.

© Sean McGrath
„Niekas negali rasti išsamaus paaiškinimo“, – sako Waitukaičio kolega Juan-Carlos Sobarzo, nepaisydamas pikto drėkintuvo šnypštimo, esančio kameroje, kurioje jis atlieka eksperimentus.
Kai Sobarzo prisijungė prie Waitukaičio laboratorijos, jis nemanė, kad atras paaiškinimą reiškiniui, kuris trukdo eksperimentams su statine elektra. Vietoj to jis planavo patikrinti vieną konkrečią hipotezę: žinome, kad drėgmė gali turėti įtakos statiniam elektros krūviui, todėl Waitukaitis nujautė, kad medžiagų paviršiuje esančios vandens molekulės palengvina krūvio mainus. Tačiau prieš pradėdami bandymus, jie turėjo rasti būdą atlikti eksperimentus, kuriuos būtų galima pakartoti. Tai gali skambėti paprastai – sudaužti du daiktus nėra raketų mokslas. Tačiau kontaktinio elektrinimosi tyrimuose pakartojamumas yra sudėtingas uždavinys.
„Yra daug dalykų įrodytai veikiančių objektų apsikeitimą krūviu“, – patebi Sobarzo. Drėkintuvas protestuodamas šnypščia, kai Sobarzo įkiša rankas į dėžutės priekio angas ir paima mėginį – nagų dydžio kvadratinį skaidrų silikono polimerą, vadinamą polidimetilsiloksanu (PDMS).
Jei tai būtų tikras eksperimentas, Sobarzo mėginio neliestų visiškai. Jo rankos galėtų perduoti krūvį PDMS ir sugadinti eksperimentą – iš tiesų, beveik viskas galėtų sugadinti eksperimentą. Įranga yra tokia jautri, kad Sobarzo ir Waitukaitis iš pradžių norėjo visiškai išvengti rankų kišimo į dėžę. Tyrėjai pradėjo manipuliuoti mėginiais per išorėje pritvirtintas gumines pirštines, bet jos buvo pernelyg statinės, todėl jas nuėmė. Tada net Sobarzo rankų plaukai pradėjo kaupti statinį elektros krūvį. Šią problemą iš esmės išsprendė ant angų pritvirtinti antistatiniai atvartai. Bet tai buvo tik pradžia.
Reikėjo nuolat stebėti ir reguliuoti oro temperatūrą ir drėgmę kameroje. Oras viduje buvo filtruojamas, kad būtų pašalintos, krūvį pernešti galinčios dulkės. Prieš eksperimentus mėginiai buvo vėdinami jonizuotu oru, kad būtų neutralizuotas bet koks perteklinis krūvis jų paviršiuje. Vietoj to, kad užsisakytų gatavą PDMS, Sobarzo pats jį pagamino, kad galėtų kontroliuoti visas savybes, kurios galėtų turėti įtakos rezultatams. Eksperimentų metu buvo standartizuotas netgi prisilietimas: motorizuota įranga sujungdavo PDMS mėginius uždarame variniame vamzdelyje, o slėgio jutiklis užtikrindavo, kad kiekvienas prisilietimas būtų vienodai stiprus; prie vamzdelio prijungtas elektrometras matavo mėginių krūvį.
Statinis įkrovimas yra jautrus reiškiniams, vykstantiems labai įvairiuose erdvės ir laiko mastuose, nuo pavienių atomų ant paviršių iki plika akimi matomų kibirkščių, sako fizikas Yaroslav Sobolev iš Algoritminės ir robotizuotos sintezės centro Pietų Korėjoje. Pasak jo, numatyti ką nors žmogaus mastu yra neįmanoma, nes viena netinkamoje vietoje esanti molekulė gali paveikti didelio masto medžiagos elgseną. Situacija primena chaoso teorijos „drugelio efektą“: „Nedidelis poveikis gali turėti labai didelę reikšmę“, – sako Lacks.
Krūvio kilpos
Taigi, Sobarzo ir Waitukaičiui, kad jų „Frankenšteino“ įrenginys veiktų, teko daug metų bandyti ir klysti. „Ilgą laiką tai buvo labai varginantis darbas“, – sako Waitukaitis. Kai sistema pagaliau pradėjo veikti, pora iškart atrado kažką, kas visiškai sužlugdė jų planus tirti vandens molekules: keletas PDMS mėginių dėl nepaaiškinamų priežasčių vis likdavo neigiamai įkrauti.
Mokslininkai jau seniai atkreipė dėmesį į tam tikrų medžiagų polinkį įsikrauti neigiamai arba teigiamai po sąlyčio su kitomis medžiagomis. Pavyzdžiui, stiklas paprastai įsikrauna teigiamai, kai liečiasi su popieriumi, o žmonės paprastai įkraunami neigiamai, kai paliečia kilimą. Tokie stebėjimai dažnai organizuojami į sąrašus, vadinamus triboelektrinėmis serijomis – triboelektra yra kitas statinės elektros pavadinimas. Pirmasis toks sąrašas buvo paskelbtas 1757 m. „Tačiau nuo XVIII a. tikrai nebuvo padaryta didelė pažanga, nes tai yra labai sudėtinga problema“, – sako Lacks. Skirtingų laboratorijų sudarytos triboelektrinės serijos dažnai nesutampa.
Tęsinys kitame puslapyje:
© Ron Bull/Toronto Star via Getty Images
Medžiagos iš pradžių gali turėti tendenciją po sąlyčio įgauti teigiamą arba neigiamą krūvį, bet po kurio laiko jis gali pasikeisti. Kartais jos gali sukurti net nelogiškas kilpas: A tampa neigiamas palietus B, B tampa neigiamas palietus C, bet A tampa teigiamas palietus C. Tokiose serijos susidaro kilpos, kaip neįmanomi laiptai M. C. Escher graviūroje.
Atsižvelgdami į keletą atkakliai neigiamų PDMS mėginių, „norėjome sužinoti, ar identiškos medžiagos, palietusios viena kitą, sukuria triboelektrinę seriją“, – sako Waitukaitis. „Ir tai mus nuvedė į triušio urvą.“
Sobarzo ėmėsi darbo laboratorijoje. Pirmuoju bandymu „gavome seriją, tobulą seriją“, sako jis. Mėginiai įsikrovė vienas kito atžvilgiu tvarkinga grandine, be nepaklusnių kilpų. „Buvome labai susijaudinę. Kaip: „O Dieve, mes tai atradome! Niekas to dar nėra padaręs!“
Džiugesys buvo trumpalaikis. Waitukaitis buvo priblokštas – ir atsargus. Jis bijojo, kad tai buvo atsitiktinumas, ir paprašė Sobarzo pakartoti eksperimentą. Kaip ir būdinga triboelektrinei formai, mėginiai nesielgė taip, kaip reikėjo. Serija buvo sujaukta. Tačiau Sobarzo buvo įsitikinęs, kad jo pirmasis rezultatas nebuvo atsitiktinumas. Jis grįžo į laboratoriją, ketindamas atkurti savo pirmąją seriją su nauja PDMS partija. Iš pradžių tai nepavyko. Nusivylęs, jis bandė dar kartą su tuo pačiu mėginių rinkiniu. Nepavyko. Jis bandė dar ir dar, kol galiausiai, po maždaug savaitės atkaklaus darbo, vėl gavo tobulą seriją. Ir šį kartą jis žinojo, kodėl.
Sobarzo suprato, kad jo paprasti silikono kvadratėliai kažkaip „įsiminė“ savo kontaktų istoriją. Sobarzo pastebėjo, kad pradžioje mėginiai įsikrauna atsitiktinai. Kai jis bandė juos išdėstyti serijomis, vietoje tvarkingų grandinių gavo susipynusias kilpas. Tačiau po kelių dienų ir kelių šimtų kontaktų iš pradžių atsitiktinis elgesys tapo reguliaresnis. Susiformavo tobula triboelektrinė serija.
Tolesniuose eksperimentuose Sobarzo ir Waitukaitis patvirtino, kad vien kontaktas keičia PDMS įkrovą – paprastai po daugiau kontaktų mėginiai labiau įkraunami neigiamai.
„Tai nepatvirtino to, ką jau maniau. Mane labai nustebino, kad gali būti tokia savaiminė organizacija“, – sako Troy Shinbrot iš Rutgers universiteto Naujajame Džersyje, kuris tiria statiką.
Bet kas iš tiesų keičiasi kontakto metu? Kaip polimero blokai gali prisiminti buvusį prisilietimą?
„Tam praleidome turbūt metus. Išbandėme visus įmantrius, brangius paviršiaus tyrimų įrankius, kuriuos tik galėjome gauti. Ir visi jie rodė, kad paviršiai prieš kontaktą ir po jo buvo identiški“, – sako Waitukaitis. Tačiau galiausiai, atlikę išsamią analizę atominės jėgos mikroskopija, mokslininkai suprato, kad kontakto paveikti mėginiai buvo lygesni mažesniu mastu nei nauji – tarsi pjūklai, kurių dantys atšipo.
Kadangi mokslininkai vis dar nežino, kaip vyksta kontaktinis elektrinimas, sunku pasakyti, kodėl lygesnis paviršius gali sukelti neigiamą mėginio įkrovą. Tačiau Waitukaitis dabar yra gana įsitikinęs, kad tai nėra vandens molekulių buvimas. Vietoj to, jis ir Sobarzo įtaria reiškinį, vadinamą fleksoelektriškumu: įkrovą lenkimo metu. Lenkiant paviršių, įkrovos suspaudžiamos vienose vietose ir išsiskiria kitose. Paspausdami medžiagą ant grubesnio paviršiaus, ją labiau sulenkiame, nes ji prisitaiko prie tekstūruoto paviršiaus iškilimų ir įdubų. Kadangi PDMS mėginiai susilieja su kontaktais, galbūt jų polinkis į neigiamą įkrovą yra užuomina, kad kontaktinė elektrifikacija gali būti susijusi su fleksoelektrija.
Tačiau Shinbrot ir Lacks mano, kad nauji duomenys taip pat galėtų būti suderinami su kitais įkrovimo mechanizmais. Gali būti, kad reiškinys, kurį vadiname kontaktiniu elektrinimu, iš tiesų yra keli skirtingi procesai, veikiantys kartu, kurių nė vienas dar nėra suprastas, ir jie gali skirtis kitose medžiagose nei PDMS. Pagrindiniai kontaktinio elektrinimo klausimai – kokie krūviai perduodami ir kaip – vis dar lieka atviri. Tačiau dabar mokslininkai turi daugiau galimybių į juos atsakyti.
Paslėptas elektrinimosi sudėtingumas
Waitukaičio ir Sobarzo rezultatai atskleidė paslėptą triboelektrinės serijos chaoso tvarką: kontaktų istorija yra svarbi. Todėl nenuostabu, kad tiek daug eksperimentų nebuvo pakartota. Neįmanoma pakartoti tiksliai tų pačių matavimų su tuo pačiu mėginiu, nes pats kontaktas keičia tai, kaip mėginys įsikrauna kitą kartą, kai yra paliečiamas. Kontaktų sekimas ateities eksperimentuose galėtų padėti išspręsti kai kurias painiavas, kurios ilgą laiką kamavo šią sritį.
Kontaktinis elektrinimas yra toks įdomus, nes neturėtų toks būti – kažkas tokio kasdienio neturėtų būti taip paslaptinga. Tačiau familiarumas dažnai slepia sudėtingumą. Šis reiškinys yra sunkiai suprantamas dėl tų pačių priežasčių, dėl kurių mokslininkai sunkiai paaiškina ir prognozuoja orus, ekonomiką, sąmonę ir gyvenimą.
Shinbrot atkreipia dėmesį, kad kontaktinis elektrinimas yra savaiminės tvarkos pavyzdys, prieštaraujantis įprastam gamtos entropijos, termodinaminio netvarkos mato, dėsniui. Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad apskritai entropija negali mažėti. Paprastai laikoma savaime suprantama, kad palietus, papurčius, pašildžius ar kitaip sukrėtus sistemą, ji tampa netvarkinga, sumaišoma bet kokia dalelių ar, tiesą sakant, krūvių organizacija. Triboelektrinime vyksta visiškai priešingas reiškinys. „Paimkite dvi identiškas medžiagas, patrinkite jas vieną su kita, viena tampa labiau teigiamai įkrauta. Trinkite dar labiau, ir ji tampa dar labiau teigiamai įkrauta. Taigi, kas atsitinka entropijai?“ – klausia Shinbrot.
Tai nepažeidžia antrojo termodinamikos dėsnio – entropija gali sumažėti vienoje vietoje, jei padidėja kitoje. Kita vertus, mes paprastai manome, kad tokia paslaptinga, savaime susiformuojanti tvarka būdinga gyvybei ir kitoms sudėtingoms sistemoms, pavyzdžiui, ekonomikai ir klimatui. Mokslininkams, siekiantiems suprasti viską apie mūsų visatą, faktas, kad net negyvi silikono kvadratėliai gali būti tokie sudėtingi, yra galbūt rimta pamoka.
Dvidešimt metų iki svarbiausios kvantinės mechanikos lygties sukūrimo, Erwinas Schrödingeris parašė daktaro disertaciją apie kontaktinį elektrinimą. Jis niekada nebegrįžo prie šios temos. Kvantinė mechanika garsėja savo sudėtingumu, bet galbūt ji ne tokia sudėtinga kaip statinis krūvis.
„Žmonės, kurie rimtai nori išsiaiškinti dalykus, pradeda nuo kontaktinio elektrinimosi. Po kurio laiko jie tiesiog pabėga“, – sako Sobolevas.
Bet Waitukaitis nebėga. Jei kas, tai šis projektas tik dar labiau įtraukė jį į paslaptį. „Tai taip įdomu. Galite turėti didelius hadronų greitintuvus ir kvantinius kompiuterius, bet negalite suprasti, kodėl į plaukus patrintas balionas prie jų prilimpa“, – sako jis. „Kuo labiau gilinamės, tuo paslaptingiau ir sunkiau tampa. O tai dar labiau skatina žingeidumą.“
Elise Cutts
newscientist.com