250 metų senumo statinės elektros veikimo mįslės sprendimas

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