Über den Teppich zu schlurfen, um einem Freund einen Schlag zu verpassen, mag der älteste Trick im Buch sein, aber auf einer tiefen Ebene stellt dieser Streich die Wissenschaftler immer noch vor ein Rätsel, selbst nach Tausenden von Jahren des Studiums.
Jetzt haben Princeton-Forscher der statischen Aufladung neues Leben eingehaucht. Mithilfe von Millionen Stunden Rechenzeit für die Durchführung detaillierter Simulationen fanden die Forscher einen Weg, die statische Ladung Atom für Atom mit der Mathematik von Wärme und Arbeit zu beschreiben. Ihre Papier„Thermodynamische Antriebskräfte bei der Kontaktelektrifizierung zwischen Polymermaterialien“, erscheint in Naturkommunikation.
Die Studie untersuchte insbesondere, wie sich Ladung zwischen Materialien bewegt, die den freien Elektronenfluss nicht zulassen, sogenannten Isoliermaterialien, wie Vinyl und Acryl. Die Forscher sagten, es gebe keine fundierte Ansicht darüber, welche Mechanismen diese Stöße auslösen, obwohl statische Aufladung allgegenwärtig sei: das Knistern und Knallen von Kleidung, die aus einem Trockner gezogen wird, oder Verpackungserdnüsse, die an einer Kiste haften.
„Wir wissen, dass es keine Elektronen sind“, sagte Mike Webb, Assistenzprofessor für Chemie- und Biotechnik, der die Studie leitete. „Was ist es?“
Diese Frage stellte sich Webb zum ersten Mal als Postdoktorand an der University of Chicago. Er rätselte mit Kollegen darüber und war verblüfft darüber, dass ein so weit verbreitetes Phänomen so wenig verstanden werden konnte. Doch je genauer sie hinsahen, desto unüberwindlicher wurden die Fragen. „Es schien einfach unerreichbar“, sagte er.
Es war außer Reichweite, seit Thales von Milet vor 26 Jahrhunderten zum ersten Mal Bernstein mit Fell rieb und beobachtete, wie der Bernstein (Griechisch: Elektron) Federn und Staub sammelte. Thales war einer der ersten Menschen, der die Natur durch Vernunft und nicht durch übernatürliche Kräfte erklärte. Er spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Philosophie und schließlich der Wissenschaft. Trotz der Tiefe und Breite des Wissens, das im Laufe der folgenden Jahrtausende angesammelt wurde, trotz der unzähligen Technologien, die aus diesem Wissen hervorgegangen sind, hat die Wissenschaft in all dieser Zeit nie die statische Aufladung verloren. Vielleicht würde es das nie tun.
In Princeton kam Webb mit seinem Kollegen Sankaran Sundaresan ins Gespräch, einem führenden Experten für chemische Reaktionstechnik, der sich auf den Materialfluss in Gaskammern spezialisiert hat. In solchen Umgebungen, die mit flüchtigen Chemikalien beladen sind, könnte ein verirrter Funke tödlich sein. Sundaresan hatte jahrzehntelang mit statischer Aufladung gearbeitet und zuverlässige experimentelle Daten verwendet, um vorherzusagen, aber nicht vollständig zu ergründen, wie sich die Ladung in diesen Systemen bewegt.
„Ich behandle das wie eine Blackbox“, sagte Sundaresan, Professor für Ingenieurwissenschaften bei Norman John Sollenberger. „Wir machen einige Experimente und die Experimente sagen mir: Das passiert. Das ist die Anklage.“ Er arbeitet bis an die Grenzen und notiert sorgfältig, was er sieht. Was in der Blackbox passiert, bleibt ein Rätsel.
Eine Sache, die man jedoch findet, egal wo man hinschaut, sind laut Sundaresan Spuren von Wasser. Geladene Wassermoleküle sind überall, in fast allem und haften an praktisch jeder Oberfläche der Erde. Selbst unter extrem trockenen Bedingungen und starker Hitze sammeln sich verirrte Wasserionen in mikroskopisch kleinen Oasen an, die elektrische Ladung enthalten.
Übrigens ist Thales vor allem nicht für seine Arbeit zur Elektrizität bekannt, sondern für ein noch größeres Projekt. Er schlug vor, dass die gesamte Natur aus Wasser bestehe, dass Wasser die Ursubstanz, der wesentliche Stoff sei. Es war der erste Versuch einer einheitlichen Theorie von allem. Aristoteles hat alles niedergeschrieben.
Im Laufe von Sundaresans Karriere verkleinerten er und seine Kollegen diese Black Box, so dass die Geheimnisse immer tiefer gingen. Aber sie bleiben Geheimnisse.
Das Gespräch zwischen ihm und Webb führte zu einer gemeinsamen Erkenntnis. Sundaresan verfügte über jahrzehntelange Einblicke in die Daten von Reaktoren, und Webb konnte hochentwickelte Berechnungstechniken auf atomarer Ebene anwenden, um diese Wasserionen aus der Perspektive der Thermodynamik zu betrachten.
Wie viel Energie würde ein Wasserion benötigen, um von Oberfläche zu Oberfläche zu fliegen? Vielleicht würde das erklären, was in Sundaresans Black Box geschah. Das ungelöste Rätsel aus Webbs Postdoc-Zeit wurde gelöst.
Durch die Modellierung der Beziehung zwischen geladenen Wassermolekülen und der Energiemenge, die diesen Molekülen zur Verfügung steht, um sie zwischen Oberflächen anzutreiben, demonstrierten Webb und der Doktorand Hang Zhang eine sehr präzise mathematische Näherung dafür, wie sich elektrische Ladung zwischen zwei Isoliermaterialien bewegt.
Mit anderen Worten: Sie simulierten mithilfe von Mathematik die Bewegung von rund 80.000 Atomen. Diese Simulationen stimmten mit sehr hoher Präzision mit realen Beobachtungen überein. Es stellt sich heraus, dass statischer Schock aller Wahrscheinlichkeit nach eine Funktion des Wassers und insbesondere der freien Energie vagabundierender Wasserionen ist.
Mit diesem Rahmen enthüllten Webb und Zhang die molekularen Grundlagen dieser bekannten Schocks bis ins kleinste Detail. Sie haben Sundaresans Black Box weit aufgerissen. Wenn Thales nur sehen könnte.
Mehr Informationen:
Hang Zhang et al., Thermodynamische Antriebskräfte bei der Kontaktelektrifizierung zwischen Polymermaterialien, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-46932-2