Por siglos, los científicos han intentado comprender la carga triboeléctrica, comúnmente conocida como electricidad estática.

La carga triboeléctrica hace que el tóner de una fotocopiadora o impresora láser se adhiera al papel, y probablemente facilitó la formación de planetas a partir del polvo espacial y el origen de la vida en la tierra.

Pero las cargas también pueden ser destructivas, provocando explosiones mortales de polvo de carbón en las minas y de polvo de azúcar y harina en las plantas de procesamiento de alimentos.

Una nueva investigación dirigida por la Universidad Case Western Reserve indica que los pequeños agujeros y grietas en un material (cambios en la microestructura) pueden controlar cómo el material se carga eléctricamente a través de la fricción.

La investigación es un paso hacia la comprensión y, por último, gestionar el proceso de carga para usos específicos y aumentar la seguridad, dicen los investigadores. El estudio se publica en la revista Materiales de revisión física .

"La carga electrostática se puede ver en todas partes, pero notamos algunos casos en los que los materiales parecían cargar más, como un globo frotando tu cabeza, o empacar cacahuetes pegados a su brazo cuando mete la mano en un paquete, "dijo Dan Lacks, presidente del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular y uno de los autores principales del estudio.

"Nuestra idea era que una tensión en los materiales estaba provocando una mayor propensión a que los materiales se carguen, "Falta dijo". Después de soplar poliestireno para crear el poliestireno expandido que comprende el maní, el material mantiene este comportamiento de carga distintivo indefinidamente ".

Probando la idea

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que frotar dos materiales, como un globo en el pelo, provoca una carga electrostática. Para probar la teoría de que la tensión afecta la carga, los investigadores estiraron una película de politetrafluoroetileno (PTFE) y la frotaron contra una película de PTFE sin tensar.

"Los experimentos de carga triboeléctrica son generalmente conocidos por sus, como algunos dirían, resultados encantadoramente inconsistentes, "dijo Andrew Wang, un estudiante de doctorado de Case Western Reserve y coautor que dirigió el trabajo. "¿Qué me sorprendió? inicialmente, fue la consistencia de los resultados de carga no tensados ​​versus tensos ".

Carece, Wang y Mohan Sankaran, profesor de ingeniería química y el otro autor principal del estudio, encontró repetidamente una transferencia de carga sistemática en una dirección, como si los materiales estuvieran hechos de dos composiciones químicas diferentes.

Después de frotar, Las películas no deformadas tendían claramente a llevar una carga negativa y la película deformada una carga positiva. El hallazgo no fue consistente el 100 por ciento de las veces, pero estadísticamente significativo.

A diferencia de, las películas sin tensar frotadas juntas y las películas tensas frotadas entre sí parecían cargarse al azar.

Analizando los resultados

Colaboradores en Bilkent University, en Ankara, Pavo, usó difracción de rayos X y espectroscopía Raman para analizar muestras de películas deformadas y no deformadas y encontradas a nivel atómico, se veían casi iguales.

La única diferencia detectable entre la película deformada y la película no deformada fue la presencia de huecos en el material:agujeros y fracturas creadas por estiramiento, que cambió la microestructura. Algunos agujeros y fracturas se detectaron a simple vista, mientras que otros eran tan pequeños que requerían la ayuda de un microscopio electrónico de barrido.

Los investigadores crearon simulaciones moleculares de materiales tensados ​​en una computadora, que mostró el nacimiento de los vacíos pero ningún otro cambio significativo. Eso indicó además que el cambio en la microestructura es la causa probable de la transferencia de carga sistemática.

"Creemos que las regiones vacías y las fibrillas que vemos a su alrededor cuando filtramos el polímero tienen diferentes enlaces y, por lo tanto, se cargan de manera diferente, "Falta dijo.

Aunque el experimento se centró en un material, la tensión puede afectar a todos los materiales, Dijo Sankaran. "La tensión que aplicamos al PTFE fue grande porque buscábamos grandes efectos, ", dijo." Todos los materiales pueden tener un poco de tensión durante el procesamiento ".

Próximos pasos

Los investigadores ahora se están enfocando en materiales granulares, así como en otros polímeros, incluidos los cacahuetes de poliestireno y las bolsas de plástico.

Esperan comprender la base científica de la carga triboeléctrica y luego controlar el proceso. El objetivo:prevenir daños y explosiones o aprovechar la carga para usos beneficiosos, como pesticidas agrícolas cargados que se adhieren mejor a las plantas, o pinturas para automóviles o incluso bronceadores en aerosol. Una mejor adherencia reduciría las cantidades aplicadas y desperdiciadas.

Más allá de los usos terrenales, Wang dijo:estas aplicaciones y estrategias de mitigación podrían ser más pertinentes en los próximos años a medida que las misiones espaciales tripuladas y no tripuladas se ocupen de la luna, Marte y polvo de asteroides.