ウールの靴下でカーペットの上を歩くと、次に触れるドアノブが火花であなたを驚かせる可能性がかなりあります。静電気は非常に一般的で、それがどれほど変なのか忘れがちです。
しかし、それらの火花に遭遇したとき、実際には何が起こっていますか？
古代ギリシャの哲学者で数学者のミレトスのタレスは、紀元前6世紀に最初に静電気を説明しましたが、科学者たちはその基本的な質問に答えるために何十年も苦労してきました。しかし、ナノスケールで研究を行っている研究者たちは、2つの表面をこすり合わせることでショックが発生する理由を理解するために、大きな前進を遂げたところです。
表面がどれほど滑らかに見えても、十分にズームインすると、凹凸がわかります。科学者たちはこれらの欠点を「アスペリティ」と呼んでいます。風船から羊毛や髪の毛のような繊維まで、あらゆる表面が微視的な凹凸で覆われています。また、これらの機能は静電気の発生に関与していると、イリノイ州エヴァンストンにあるノースウェスタン大学の材料科学および工学の博士号取得者であるクリストファー・ミジ氏は述べています。
9月にフィジカルレビューレターで発表された研究で、ミジーと彼の共著者は、日常の物体の目に見えない欠陥を地球の表面と比較しました。地球を遠くから見ると、惑星は「完全な球体のように非常に滑らかに見えます」とミツィ氏は語った。しかし、現実には地球は滑らかではないことを知っていますが、それを確認するには、地球をよく見る必要があります。 「十分にズームインして、山と丘があることに気づいたときだけだ」と彼は言った。同様に、見慣れたオブジェクトは、間近で見るまで滑らかに見えます。
2つのオブジェクトの表面が互いにこすり合うと、それらの凹凸が一緒に削られて摩擦が生じます。科学者たちは、摩擦が静電気の役割を果たすことを長い間知っていました。 （実際、静電気の摩擦電気の科学用語は、摩擦学の研究であるトライボロジーと同じ起源を持っています。）
新しい研究では、Mizziと彼の共著者は、摩擦を引き起こす凹凸がどのようにして電荷の衝撃的な違いを引き起こすかを示しました。
静電気の異常な点は、絶縁体と呼ばれる電気を制限する材料を使用して製造するのが最も簡単なことです。これらには、ゴム、ウール、髪が含まれます。現在の電気-電話、照明、その他ほとんどすべての電子機器に電力を供給する日常の電気-電子は、銅線などの導電性材料の原子間を流れることによって電流を生成します。しかし、絶縁体の原子は電子を簡単に行き来させません。彼らは電子の流れを阻害することで名前を獲得しています。
Mizziと彼の同僚は、絶縁体の凹凸が互いに摩擦し合い、電子雲と干渉すると静電気が発生することを発見しました。絶縁体内の電子は簡単に動き回ることができないので、その摩擦によって電子雲が曲がって形状が崩れる可能性があります。
これらの材料では、原子の周りの電子の雲は通常対称です。これらの雲を見ると、「下から、上から、左から右に見分けることはできません」とミジーは言った。
しかし、その電子雲を絞ると、変形して非対称になります。正しい状況下では、その新しい形状は材料全体に不均一に電圧を分配する可能性があるとミジー氏は説明した。
これはカーペットのウールの靴下とどう関係していますか？このような履物の中を歩くと、体重と歩き方の動きの組み合わせにより、靴下の繊維がカーペットの繊維に対して滑ります。このように2つの材料が互いにこすり合うと、一方の表面の隆起が反対側の表面の凹凸に沿って引きずられ、曲がります。この曲がりが発生すると、アスペリティを構成する原子の電子雲が非対称の形に押しつぶされ、電圧に非常に小さな差が生じます。
小さいですが、これらの電圧の変化は合計されます。アスペリティは非常に多いため、電子雲が押しつぶされると静電気が大幅に蓄積されます。これは、ドアノブに触れたり、誰かの手を振ったりしたときに感じる静電気です。
静電気に関するこの新たな理解は、ウェアラブルデバイスを充電するための摩擦生成電力を生成するファブリックを開発する科学者に影響を与え、製品をより効率的にする可能性があります。また、静電気が発生しにくい材料を理解することで、エンジニアは、互いに摩擦することで火花を発生させる可能性のあるダスト粒子を排除するなど、より安全な製造環境の構築に取り組むことができます。
「モデルがあれば、予測を始めることができる」とミツィ氏は語った。
