250 metų senumo statinės elektros veikimo mįslės sprendimas

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.

„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.