Наука о статическом шоке вошла в 21 век

Шаркать по ковру, чтобы избить друга, возможно, самый старый трюк в книге, но на глубоком уровне этот розыгрыш все еще озадачивает ученых, даже после тысяч лет исследований.

Теперь исследователи из Принстона вдохнули новую жизнь в статику. Используя миллионы часов вычислительного времени для детального моделирования, исследователи нашли способ описать статический заряд атом за атомом с помощью математики тепла и работы. Их статья «Термодинамические движущие силы при контактной электрификации между полимерными материалами» опубликована в Природные коммуникации.

В исследовании особое внимание уделялось тому, как заряд перемещается между материалами, которые не допускают свободного потока электронов, называемыми изоляционными материалами, такими как винил и акрил. Исследователи заявили, что не существует устоявшегося мнения о том, какие механизмы вызывают эти толчки, несмотря на повсеместное распространение статики: треск и хлопок одежды, вытащенной из сушилки, упаковка арахиса, прилипшего к коробке.

«Мы знаем, что дело не в электронах», — сказал Майк Уэбб, доцент кафедры химической и биологической инженерии, возглавлявший исследование. «Что это такое?»

Уэбб впервые задал себе этот вопрос, будучи научным сотрудником Чикагского университета. Он ломал голову над этим с коллегами, озадаченный тем, что такое распространенное явление может быть так плохо понято. Но чем больше они смотрели, тем более непреодолимыми становились вопросы. «Это казалось недосягаемым», — сказал он.

Он был недосягаем с тех пор, как Фалес Милетский впервые натер янтарь мехом и наблюдал, как янтарь (по-гречески: электрон) собирает перья и пыль — 26 веков назад. Фалес был одним из первых людей, объяснивших природу посредством разума, а не сверхъестественных сил. Он сыграл решающую роль в развитии философии и, в конечном итоге, науки. Несмотря на глубину и широту знаний, накопленных за последующие тысячелетия, несмотря на бесчисленное множество технологий, рожденных на основе этих знаний, наука за все это время ни разу не вышла из статики. Возможно, этого никогда не произойдет.

В Принстоне Уэбб побеседовал со своим коллегой Шанкараном Сундаресаном, ведущим экспертом в области техники химических реакций, который специализируется на потоке материалов в газовых камерах. В такой среде, насыщенной летучими химическими веществами, случайная искра может оказаться смертельной. Сундаресан десятилетиями работал со статическим зарядом, используя надежные экспериментальные данные, чтобы предсказать, но не полностью понять, как движется заряд в этих системах.

«Я отношусь к этому как к черному ящику», — сказал Сундаресан, профессор инженерных наук Нормана Джона Солленбергера. «Мы проводим несколько экспериментов, и эксперименты говорят мне: вот что происходит. Вот это заряд». Он работает до предела и тщательно записывает то, что видит. Что происходит внутри черного ящика, остается загадкой.

Однако, по словам Сундаресана, куда бы вы ни посмотрели, вы найдете одну вещь — это следы воды. Заряженные молекулы воды присутствуют повсюду, почти во всем, прилипая практически к каждой поверхности на Земле. Даже в чрезвычайно засушливых условиях, при сильной жаре, блуждающие ионы воды собираются в микроскопические оазисы, несущие электрический заряд.

Кстати, Фалес наиболее известен не своими работами по электричеству, а еще более грандиозным проектом. Он предположил, что вся природа состоит из воды, что вода является Ур-субстанцией, основным веществом. Это была первая попытка создания единой теории всего. Аристотель все это записал.

На протяжении всей карьеры Сундаресана он и его коллеги сжимали этот черный ящик, так что тайны стали еще глубже. Но загадками они остаются.

Разговор между ним и Уэббом привел к взаимному осознанию. Сундаресан десятилетиями разбирался в данных, полученных из реакторов, а Уэбб мог применять сложные вычислительные методы атомного масштаба, чтобы взглянуть на эти ионы воды с точки зрения термодинамики.

Сколько энергии потребуется иону воды, чтобы перелететь с поверхности на поверхность? Возможно, это объяснило бы, что происходило внутри черного ящика Сундаресана. Неразрешенная загадка времен постдока Уэбба оказалась раскрытой.

Моделируя взаимосвязь между заряженными молекулами воды и количеством энергии, которую эти молекулы имеют для перемещения их между поверхностями, Уэбб и аспирант Хан Чжан продемонстрировали очень точную математическую аппроксимацию того, как электрический заряд перемещается между двумя изоляционными материалами.

Другими словами, они использовали математику для моделирования движения около 80 000 атомов. Эти симуляции с очень высокой степенью точности соответствовали реальным наблюдениям. Оказывается, по всей вероятности, статический шок является функцией воды, а точнее, свободной энергии блуждающих ионов воды.

Используя эту концепцию, Уэбб и Чжан раскрыли молекулярные основы этих знакомых потрясений в мельчайших деталях. Они широко распахнули черный ящик Сундаресана. Если бы только Фалес мог видеть.