Зарядовые мозаики на контактно-заряженных диэлектриках.
(а) В обычном представлении два электрически нейтральных материала соприкасаются, а затем равномерно распределяют заряд (внизу слева), один положительный (красный) и один отрицательный (синий). В альтернативном сценарии (внизу справа) на каждой поверхности образуется сильно неоднородная «зарядовая мозаика» с соседними доменами с противоположной полярностью заряда.
(б) Коллаж мозаик заряда, описанных в литературе (указаны годы и масштабные линейки).

Исторически сложилось так, что контактная электрификация (CE) была первым и единственным источником электричества для человечества примерно до 18 века, но ее истинная природа до сих пор неясна. Сегодня он считается основным компонентом таких технологий, как лазерные принтеры, процессы производства ЖК-дисплеев, электростатическая окраска и разделение пластика для переработки, а также считается серьезной промышленной опасностью (повреждение электронных систем, взрывы в угольных шахтах, пожары на химических заводах, и т. д.) из-за электростатических разрядов (ЭСР), сопровождающих КЭ. В вакууме электростатические разряды простой клейкой ленты настолько сильны, что генерируют достаточно рентгеновских лучей, чтобы сделать рентгеновский снимок пальца.

Долгое время предполагалось, что два соприкасающихся/скользящих материала заряжаются противоположно и равномерно. Однако в 1940-х годах было замечено, что каждая из разделенных поверхностей несет как (+), так и (-) заряды после КЭ. Создание так называемых зарядовых мозаик объяснялось невоспроизводимостью экспериментов, присущей неоднородностью контактирующих материалов или общей «стохастической природой» КЭ.

Исследовательская группа под руководством профессора Бартоша А. Гжибовски (кафедра химии) из Центра мягкой и живой материи Института фундаментальных наук (IBS) UNIST более десяти лет исследовала возможные источники зарядовой мозаики. Ожидается, что это исследование, опубликованное в Интернете и включенное в выпуск журнала Nature Physics за октябрь 2022 года, поможет контролировать потенциально вредные электростатические разряды.

«В нашей научной статье 2011 года мы показали субмикрометровую неравномерность заряда неизвестного происхождения. В то время наша гипотеза заключалась в том, чтобы приписать эти (+/-) мозаики переносу микроскопических пятен материалов между поверхностями. Однако за долгие годы работы над проблемой эта и родственные модели просто не выдерживали, так как нам (и многим другим коллегам, с которыми мы дискутировали) постепенно становилось неясно, как эти микроскопические пятна могут объяснить даже миллиметровые масштабные области противоположной полярности, сосуществующие на одной и той же поверхности. Тем не менее, у нас и у сообщества не было лучшего ответа, почему мозаики (+/-) видны вообще и на столь многих масштабах длины», — говорит профессор Гржибовски.

В статье, опубликованной недавно в журнале Nature Physics, группа профессора Гржибовски показывает, что зарядовые мозаики являются прямым следствием электростатического разряда. Эксперименты показывают, что между расслаивающимися материалами создаются последовательности «искр», которые отвечают за формирование (+/-) распределения заряда, симметричного на обоих материалах.

«Можно подумать, что разряд может только обнулить заряды, а на самом деле он может их локально инвертировать. Это связано с тем, что «искру» гораздо проще зажечь, чем погасить», — говорит д-р Ярослав Соболев. , ведущий автор статьи. «Даже когда заряды уменьшаются до нуля, искра продолжает питаться полем соседних областей, не затронутых этой искрой».

Предложенная теория объясняет, почему зарядовые мозаики наблюдались на многих различных материалах, включая листы бумаги, трущиеся воздушные шары, стальные шарики, катящиеся по тефлоновым поверхностям, или полимеры, отделенные от тех же или других полимеров. Это также намекает на происхождение потрескивания, когда вы отрываете липкую ленту — это может быть проявлением плазменных разрядов, дергающих ленту, как гитарную струну. Представленное исследование должно помочь контролировать потенциально опасные электростатические разряды и приблизить нас к истинному пониманию природы контактной электризации, отметила исследовательская группа.