От крошечного электрического разряда при прикосновении к дверной ручке до арахиса из пенопласта, прилипшего к шерсти озорной кошки, - хорошо известное и, казалось бы, простое явление статического электричества озадачивало людей с глубокой древности. Как мог этот повсеместный эффект, часто демонстрируемый ослепленным детям путем втирания шарика в их волосы, до сих пор не до конца понятен ученым?

Статическое электричество имеет множество названий, но ученые предпочитают называть его "контактной электризацией". В противоположность тому, что может подразумеваться под названием "статическое электричество", суть эффекта не в статичности, а в движении, поскольку некоторый заряд передается всякий раз, когда соприкасаются два электрически нейтральных материала. "От контактной электризации никуда не деться; каждый испытывает ее на себе. Вот почему для нас может оказаться неожиданностью, что мы не понимаем, как именно это происходит", - говорит Скотт Вайтукайтис, доцент Австрийского института науки и технологий (ISTA), который руководил этой работой вместе с аспирантом ISTA Хуаном Карлосом Собарзо. Теперь команда раскрыла ключевую часть головоломки, которая оставалась неизвестной на протяжении веков: "Мы протестировали различные параметры, которые могли бы повлиять на электрификацию контактов, но ни один из них не смог убедительно объяснить наши результаты. Вот тут-то мы и задумались: что, если сам контакт влияет на поведение зарядки? Слово "контакт" уже есть в названии, но его часто упускают из виду", - говорит Собарзо.

"Полный бардак"

Несмотря на повсеместность этого явления, понимание того, как различные материалы подвергаются контактной электризации, веками ускользало от физиков и химиков. В то время как ученые смогли описать механизм действия металлов в 1950-х годах, электрические изоляторы оказались более сложными для понимания, хотя именно они являются материалами, которые в наибольшей степени обмениваются зарядом. Исторически сложилось так, что несколько исследований предположили, что изоляторы можно было бы упорядочивать в зависимости от знака заряда, которым они обмениваются, от самого положительного к самому отрицательному. Например, если стекло заряжается положительно по отношению к керамике, а керамика делает то же самое по отношению к дереву, то стекло (обычно) заряжается положительно по отношению к дереву. Таким образом, стекло, керамика и дерево образовали бы так называемый "трибоэлектрический ряд".

Проблема с этими трибоэлектрическими рядами, по словам Вайтукайтиса, заключается в том, что разные исследователи получают разный порядок, и иногда даже один и тот же исследователь не получает один и тот же порядок дважды, когда они повторяют свой собственный эксперимент. "Понимание того, как изоляционные материалы обмениваются зарядом, в течение очень долгого времени казалось полной неразберихой: эксперименты совершенно непредсказуемы и иногда могут казаться совершенно случайными", - говорит он. В свете этой "полной неразберихи" физики и материаловеды, похоже, не могли прийти к согласию ни по одной модели, объясняющей этот механизм. Что еще хуже, им пришлось смириться с тревожным фактом, что даже идентичные материалы, такие как два воздушных шарика, обменивались зарядом. В конце концов, материалы должны быть одинаковыми, так что же определяет, куда пойдет заряд?

Порядок, возникающий из хаоса

Вайтукайтис и Собарзо заключили пари, что эта контактная электризация "из того же материала" может дать ключ к пониманию эффекта в более широком смысле. Работая с "идентичными" материалами, они сократили количество свободных переменных до минимума - им просто нужно было найти то единственное, что отличало образцы друг от друга. В качестве материала они выбрали полидиметилсилоксан (PDMS) - прозрачный полимер на основе силикона, из которого они изготовили блоки, похожие на пластик.

На данный момент основной гипотезой о том, почему идентичные материалы обмениваются зарядом, были случайные вариации свойств поверхности. К сожалению, первоначальные результаты команды также отражали случайность и непредсказуемость. Еще не подозревая, что история контактов образцов играет какую-то роль, они тестировали различные условия, иногда используя одни и те же образцы, совершенно не подозревая, что они меняются с каждым дополнительным контактом. Изучая, где провести исследование, они подумали о том, чтобы проверить, будут ли идентичные образцы PDMS упорядочены в трибоэлектрическую серию. "Я взял набор образцов, которые были у меня под рукой - тогда я использовал их повторно для множества экспериментов - и, к своему изумлению, увидел, что они заказаны серией с первой попытки", - говорит Собарзо. Взволнованная этим неожиданным результатом, команда попыталась повторить эксперимент со свежими образцами, но быстро разочаровалась, снова увидев случайные результаты. "На данный момент мы могли бы сдаться", - говорит Собарзо. "Однако я решил попробовать еще раз с тем же набором образцов на следующий день. Результаты выглядели лучше, поэтому я продолжал пробовать, пока с пятой попытки образцы не упорядочились в идеальную серию". Собарзо только что наткнулся на ответ на вопрос, почему старые образцы сработали с первой попытки. Повторный контакт каким-то образом позволил образцам эволюционировать. "Как только мы начали отслеживать историю контактов образцов, случайность и хаос на самом деле обрели смысл", - говорит Вайтукайтис. Действительно, команда обнаружила, что образцы начали вести себя предсказуемо примерно после 200 контактов и что более "контактировавший" образец неизменно заряжался отрицательно по сравнению с образцом с меньшей историей контактов. Исследователи даже показали, что образцы PDMS могут надежно формировать "предварительно спроектированный" трибоэлектрический ряд, если контролировать количество контактов и порядок экспериментов.

Более гладкая поверхность

Идея о том, что история контактов образца может управлять тем, как он заряжается, никогда не выдвигалась. Этим команда объясняет, почему так много экспериментов по контактной электризации кажутся случайными и неконтролируемыми. Тем не менее, остается вопрос - как акт контакта изменяет образцы? Итак, команда продвинулась дальше, используя различные методы, чувствительные к поверхности образцов до и после контакта. Среди всех исследованных ими параметров только один давал хоть какой-то намек: они заметили дискретные изменения шероховатости поверхности материалов в наноскопическом масштабе. Более конкретно, они показали, что контакты сглаживают мельчайшие неровности на поверхности материала. Как это приводит к электризации контактов, команда не знает, но поскольку это единственное изменение, которое они смогли обнаружить, оно наводит на размышления. "Нам удалось раскрыть важный ключ к разгадке неуловимого механизма, который является столь фундаментальным для нашего понимания электричества и электростатики и все же так долго озадачивал ученых", - говорит Собарзо. Вайтукайтис заключает, едва в силах скрыть свое волнение: "Мы показали, что наука о статическом электричестве уже не так безнадежна".