Лепљива мистерија: Зашто статички електрицитет и даље збуњује научнике

Физичар Галијен Грожан је био задужен да брине о сићушним стакленим перлама. Прао их је, нежно их хватао пинцетом и деликатно смештао у свој експериментални апарат. По сваку цену је избегавао непотребно померање, јер је знао да и најмања непажња може променити својства перли на непознате начине.

Што је још горе, губитак само једне значио би недељу дана узалудног рада. „Прилично сам неспретан, тако да сам морао да додатно да се напрегнем", признаје Грожан, некада истраживач на Институту за науку и технологију у Клостернојбургу у Аустрији.

У свом експерименту, користио је акустичне силе ултразвучних таласа да би куглица левитирала, избегавајући тако директан контакт. Затим би искључио ултразвук, пуштајући је да падне и судари се са плочом испод. Док би се одбијала нагоре, ултразвук би је поново ухватио, у неку врсту замке без додиривања.

Грожан проучава статички електрицитет, а његова опсесивна прецизност може деловати претерано за феномен одговоран за свакодневне појаве попут наелектрисаних балона и одеће која се лепи за тело. Али основе статичког електрицитета су фрустрирајуће неухватљиве.

Иако га научници проучавају вековима, још увек не знају шта се тачно дешава када један објекат пренесе свој електрични набој на други. „У већини ситуација заиста немамо појма који је механизам у питању", каже Грожан, сада професор на Аутономном универзитету у Барселони.

Значај на великој и малој скали

Статички електрицитет обликује наш свет, од најмањих до највећих размера. Сматра се да објашњава како су планете, укључујући и Земљу, настале сударањем честица прашине.

Он ствара муње, појачава пешчане олује и помаже полену да се залепи за опрашиваче. Са друге стране, може изазвати индустријске пожаре, ометати производњу лекова, уништити осетљива електронска кола и угрозити научне експерименте и истраживање свемира.

Упркос свему, основно разумевање и даље недостаје, каже хемичарка Билге Бајтекин са Универзитета Билкент у Анкари. „Осећате се као дете чак и након много, много година рада."

Бајтекин и Грожан се надају да ће се то ускоро променити. Они су део мале, помало необичне групе научника који удружују своја знања како би решили мистериозну слагалицу статичког електрицитета.

Чини се као да сваки научник другачији види део те слагалице. „Физичари имају своје разумевање статичког електрицитета, хемичари такође имају наше разумевање, док инжењери гледају из другачије перспективе", објашњава проф. Бајтекин.

У покушају да споје делове, ова група се у јуну окупила на Флориди, на састанку Америчког друштва за електростатику. Тамо су нове технике, попут Грожанове акустичне левитације, оживеле интересовање за основе статичког електрицитета.

Залепљени за основе

Упркос свим питањима, научници се слажу око неких основа. Кад год се два предмета додирну или трљају, они размењују набој. Тај процес, назван трибоелектрични ефекат, доводи до статичког електрицитета.

Субатомске честице иза овог процеса су електрони, који су негативно наелектрисани, и протони, који су позитивно наелектрисани. Предмети са једнаким бројем електрона и протона немају нето набој. Али чим се предмети додирну, равнотежа се помера.

Ако сте икада протрљали балон о косу, приметили сте да се власи подижу. То је зато што трљање даје балону негативан набој, а вашој коси позитиван. Пошто се истоимени набоји одбијају, праменови косе се међусобно удаљавају.

Ипак, ако се задуби дубље у ове примере, ствари брзо постају нејасне. Када се набој размењује, на пример, није јасно шта се тачно преноси. Можда појединачни електрони прелазе са једног објекта на други, а можда су у питању јони – наелектрисани атоми или молекули – или чак већи комади наелектрисаног материјала.

Још већи проблем је што не постоји дубље разумевање иза трибоелектричног низа, ранг листе која предвиђа који ће материјал постати негативно наелектрисан. Нико не зна која својства материјала га чине склонијим негативном или позитивном наелектрисању. Низ такође не објашњава зашто се идентични предмети могу наелектрисати додиром.

Од ћилибара до Артемиса

Проучавање статичког електрицитета старо је готово као и сама наука. Још око 360. године пре нове ере, филозоф Платон писао је о „чудима" ћилибара, који привлачи друге предмете када се протрља.

Заправо, реч „електрицитет" потиче од грчке речи за ћилибар – ēлектрон. Вековима касније, Бенџамин Френклин је својим чувеним експериментом са змајем доказао да је муња електрични феномен, сличан статичком електрицитету који је посматрао у лабораторији.

Данас многи научници сматрају статички електрицитет сметњом коју треба елиминисати, а не феноменом вредним проучавања. Он изазива пожаре, уништава осетљиву опрему и омета експерименте.

Његов утицај сеже и у свемир, где недостатак влаге и слаба гравитација чине електричне силе израженијим. „Силе које нису важне на Земљи почињу да постају важне", каже планетарна научница Кристин Харцел са Универзитета Мериленд.

Точкови лунарног ровера или соларни панели могли би се брзо прекрити лепљивом, наелектрисаном прашином. Због тога је статички електрицитет један од главних проблема за будуће Насине мисије „Артемис" на Месецу.

Моћ невидљиве прљавштине

У међувремену, научници напредују са новим експериментима користећи све софистицираније технике. Акустична левитација, на пример, спречава ненамерно наелектрисање које може настати самим руковањем предметима.

Користећи ту технику, Грожан, Скот Вајтукајтис и њихове колеге фокусирали су се на једно питање: зашто се два идентична материјала наелектришу када се додирну? Мерили су како се стаклене перле пуне када ударе у плочу од истог материјала. Открили су нешто неочекивано.

Свака појединачна куглица се пунила доследно, али је постојала драматична разлика међу њима – једна би се увек пунила негативно, а друга позитивно.

Резултати су се променили када су истраживачи очистили перле загревањем на 200 степени Целзијуса. Очишћена перла би се скоро увек пунила негативно када би ударила у неочишћену плочу. Детаљна анализа је открила да је процес чишћења уклонио једињења угљеника која су свеприсутна у Земљиној атмосфери и невидљиво залепљена за површину већине предмета.

Ту материју су назвали „шмуц" (од немачке речи 'schmutz' за прљавштину). Експеримент није показао како се набој креће, али је открио да је оно што се налази на површини од пресудне важности. Та идеја почиње да се шири.

Ове сложености су можда допринеле конфузији у прошлости. Раније су наизглед слични експерименти давали контрадикторне резултате, дајући овој области „веома лошу репутацију", каже технолог Лоренс Маркс са Универзитета Нортвестерн. Али новији радови показују да, када се услови строго контролишу и релевантни фактори идентификују, резултати могу бити поновљиви.

Привлачност тог изазова окупила је групу научника страствених у решавању мистерија статичког електрицитета. Чини се да је прикладно што је статички електрицитет научно „лепљива" тема. Али и даље постоје прилике да се одлепимо.

То ће вероватно захтевати не неки генијални увид, већ спор, методичан рад – сличан фокусу потребном да се делови слагалице поставе на своје место, један по један. „Заиста је реч о синтези", каже проф. Маркс. „Знамо све делове слагалице, само их треба сложити исправним редоследом."