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Samstag, Dezember 3, 2022

Wissenschaftler lösen ein 80 Jahre altes Rätsel der Physik

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Die Studie zeigte, dass Ladungsmosaike eine direkte Folge von ESD sind.


Die Kontaktelektrifizierung (CE) war bis etwa zum 18. Jahrhundert die früheste und einzige Elektrizitätsquelle der Menschheit, aber ihre wahre Natur bleibt ein Rätsel. Heute wird es als kritischer Bestandteil von Technologien wie Laserdruckern, LCD-Produktionsprozessen, elektrostatischer Lackierung, Kunststofftrennung zum Recycling und mehr sowie als großes industrielles Risiko (Schäden an elektronischen Systemen, Explosionen in Kohlebergwerken, Brände) angesehen in Chemieanlagen) aufgrund der mit CE einhergehenden elektrostatischen Entladungen (ESD). Eine Studie aus dem Jahr 2008, veröffentlicht in Natur fanden heraus, dass ESDs eines einfachen Klebebands im Vakuum so stark sind, dass sie genug Röntgenstrahlen erzeugen, um ein Röntgenbild eines Fingers aufzunehmen.

Lange Zeit wurde angenommen, dass sich zwei sich berührende/gleitende Materialien in entgegengesetzte und gleichmäßige Richtungen aufladen. Nach CE wurde jedoch entdeckt, dass jede der getrennten Oberflächen sowohl (+) als auch (–) Ladungen trägt. Die Bildung sogenannter Ladungsmosaiken wurde auf die Unreproduzierbarkeit des Experiments, inhärente Inhomogenitäten von sich berührenden Materialien oder die allgemeine „stochastische Natur“ von CE zurückgeführt. 

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Professor Bartosz A. Grzybowski. Bildnachweis: UNIST

Ein Forschungsteam, geleitet von Professor Bartosz A. Grzybowski (Fachbereich Chemie) vom Zentrum für weiche und lebende Materie, innerhalb des Instituts für Grundlagenforschung (IBS) an Ulsan Nationales Institut für Wissenschaft und Technologie (UNIST) untersucht seit über einem Jahrzehnt die möglichen Quellen von Ladungsmosaiken. Die Studie soll dabei helfen, die potenziell schädlichen elektrostatischen Entladungen zu kontrollieren, und wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik.

„In unserem Jahr 2011 Wissenschaft Papier zeigten wir eine Ladungsungleichmäßigkeit im Submikrometerbereich unbekannten Ursprungs. Unsere damalige Hypothese war, diese (+/-)-Mosaike auf die Übertragung mikroskopisch kleiner Materialflecken zwischen den zu trennenden Oberflächen zurückzuführen. In vielen Jahren der Arbeit an dem Problem hielten dieses und verwandte Modelle jedoch einfach nicht stand, da uns (und vielen anderen Kollegen, mit denen wir diskutierten) allmählich unklar wurde, wie diese mikroskopischen Flecken sogar millimetergroße Regionen erklären können entgegengesetzter Polarität, die auf derselben Oberfläche koexistieren. Trotzdem hatten wir und die Community keine bessere Antwort darauf, warum die (+/-) Mosaike überhaupt und über so viele Längenskalen gesehen werden“, sagt Professor Grzybowski.

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Abbildung 1. Ladungsmosaiken auf kontaktgeladenen Dielektrika. (a) In einer konventionellen Ansicht werden zwei elektrisch neutrale Materialien (grau) in Kontakt gebracht und dann die Ladung gleichmäßig getrennt (unten links), ein positives (rot) und ein negatives (blau). In einem alternativen Szenario (unten rechts) entwickelt jede Oberfläche ein höchst ungleichmäßiges „Ladungsmosaik“ mit benachbarten Domänen mit entgegengesetzten Ladungspolaritäten. (b) Collage von Ladungsmosaiken, über die in der Literatur berichtet wird (die Jahre und Maßstabsbalken sind angegeben). Bildnachweis: UNIST

In dem kürzlich veröffentlichten Papier in Naturphysikzeigt die Gruppe von Professor Grzybowski, dass Ladungsmosaike eine direkte Folge von ESD sind. Die Experimente zeigen, dass zwischen delaminierenden Materialien die Folgen von „Funken“ erzeugt werden, die für die Bildung der (+/-) Ladungsverteilungen verantwortlich sind, die auf beiden Materialien symmetrisch sind.

„Man könnte denken, dass eine Entladung Ladungen nur auf Null bringen kann, aber sie kann sie tatsächlich lokal umkehren. Das hängt damit zusammen, dass es viel einfacher ist, den ‚Funken' zu überspringen, als ihn zu löschen“, sagt Dr. Yaroslav Sobolev, der Hauptautor der Arbeit. „Selbst wenn die Ladungen auf Null reduziert werden, geht der Funke weiter, angetrieben durch das Feld benachbarter Regionen, die von diesem Funken unberührt bleiben.“

Die vorgeschlagene Theorie erklärt, warum Ladungsmosaike auf vielen verschiedenen Materialien zu sehen waren, darunter Papierblätter, reibende Ballons, Stahlkugeln, die auf Teflonoberflächen rollen, oder Polymere, die sich von denselben oder anderen Polymeren gelöst haben. Es deutet auch auf den Ursprung des knisternden Geräusches beim Abziehen eines Klebebandes hin – es könnte eine Manifestation des sein Plasma Entladungen, die das Band wie eine Gitarrensaite zupfen. Die vorgestellten Forschungsergebnisse sollten dazu beitragen, die potenziell schädlichen elektrostatischen Entladungen zu kontrollieren und uns einem wahren Verständnis der Natur der Kontaktelektrifizierung näher zu bringen, stellte das Forschungsteam fest.


Literatur: „Ladungsmosaiken auf kontaktelektrifizierten Dielektrika resultieren aus polaritätsumkehrenden Entladungen“ von Yaroslav I. Sobolev, Witold Adamkiewicz, Marta Siek und Bartosz A. Grzybowski, 8. September 2022, Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-022-01714-9

„Korrelation zwischen Nanosekunden-Röntgenblitzen und Stick-Slip-Reibung beim Abziehen von Klebeband“ von Carlos G. Camara, Juan V. Escobar, Jonathan R. Hird und Seth J. Putterman, 23. Oktober 2008, Natur
DOI: 10.1038/natur07378

„Das Mosaik der Oberflächenladung bei der Kontaktelektrifizierung“ von HT Baytekin, AZ Patashinski, M. Branicki, B. Baytekin, S. Soh und BA Grzybowski, 23. Juni 2011, Wissenschaft.
DOI: 10.1126 / science.1201512


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