Pendant des siècles, l’électricité statique a fait l’objet d’intrigues et d’investigation scientifique. Maintenant, les chercheurs du groupe Waitkaitis de l’Institut des sciences et de la technologie Autriche (ISTA) ont révélé un indice vital de ce mystère durable: l’histoire de contact des contrôles des matériaux sur la façon d’échanger les charges. Les résultats révolutionnaires, maintenant publiés dans NatureExpliquez l’imprévisibilité dominante de l’électrification de contact, dévoilant l’ordre à partir de ce qui a longtemps été considéré comme le chaos.
D’une minuscule secousse électrique lorsque vous touchez une poignée de porte à des arachides en polystyrène qui s’accroche à la fourrure d’un chat espiègle – le phénomène bien connu et apparemment simple de l’électricité statique a intrigué les gens depuis l’antiquité. Comment cet effet omniprésent, a-t-il fréquemment démontré aux enfants éblouissants en frottant un ballon sur leurs cheveux, toujours être complètement compris par les scientifiques?
L’électricité statique passe par plusieurs noms, mais les scientifiques préfèrent l’appeler «Contact Electrification». Contrairement à ce que le nom de «l’électricité statique» pourrait impliquer, l’essence de l’effet n’est pas statique mais comprend le mouvement, car une charge est transférée chaque fois que deux matériaux électriquement neutres se touchent. “Il n’y a pas d’électrification de contact pour échapper; tout le monde en fait l’expérience. C’est pourquoi cela pourrait nous surprendre que nous ne comprenons pas exactement comment cela se produit”, explique Scott Waittukaitis, professeur adjoint à l’Institut des sciences et de la technologie Autriche ( Ista) qui a dirigé ce travail avec l’étudiant PhD ISTA Juan Carlos Sobarzo. Maintenant, l’équipe a découvert une pièce clé du puzzle qui est restée inconnue depuis des siècles: “Nous avons testé différents paramètres qui pourraient affecter l’électrification de contact, mais aucun d’eux ne pourrait bien expliquer nos résultats. C’est là que nous nous sommes arrêtés pour penser: et si c’est si c’est Contactez lui-même qui affecte le comportement de charge?
“Un gâchis total”
Malgré l’ubiquité du phénomène, la compréhension de la façon dont les différents matériaux subissent l’électrification de contact ont échappé aux physiciens et chimistes pendant des siècles. Alors que les scientifiques ont pu décrire le mécanisme des métaux dans les années 1950, les isolateurs électriques se sont révélés plus difficiles à comprendre – bien qu’ils soient les matériaux qui échangent le plus. Historiquement, plusieurs études ont suggéré que les isolateurs pouvaient être commandés en fonction du signe de charge qu’ils échangent, des plus positifs au plus négatifs. Par exemple, si le verre charge positivement en céramique et en céramique fait de même en bois, alors le verre (généralement) charge positivement en bois. Ainsi, le verre, la céramique et le bois formeraient une soi-disant «série triboélectrique».
Selon Waittukaitis, le problème avec ces séries triboélectriques est que les différents chercheurs obtiennent des ordonnances différentes, et parfois même le même chercheur n’obtient pas le même ordre deux fois lorsqu’ils refaisaient leur propre expérience. “Comprendre comment les matériaux isolants ont échangé des charges semblaient être un gâchis total pendant très longtemps: les expériences sont extrêmement imprévisibles et peuvent parfois sembler complètement aléatoires”, dit-il. À la lumière de ce «désordre total», les physiciens et les scientifiques matériels ne semblaient pas s’entendre sur un modèle pour expliquer le mécanisme. Pour aggraver les choses, ils ont dû faire face au fait troublant que même des matériaux identiques, tels que deux ballons, ont échangé des charges. Après tout, les matériaux sont censés être les mêmes, alors qu’est-ce qui détermine où va la charge?
Ordre résultant du chaos
Waittukaitis et Sobarzo ont parié que cette électrification de contact “même matériale” pourrait maintenir les clés pour comprendre l’effet plus largement. En travaillant avec des matériaux «identiques», ils ont réduit le nombre de variables libres au minimum – ils devaient juste trouver la seule chose qui rendait des échantillons différents. Pour leur matériau, ils ont choisi le polydiméthylsiloxane (PDMS) – un polymère à base de silicone transparent dont ils ont fait des blocs de type plastique.
À ce stade, l’hypothèse principale pour expliquer pourquoi les matériaux identiques échangés étaient des variations aléatoires des propriétés de surface. De façon frustrante, les résultats initiaux de l’équipe reflètent également le caractère aléatoire et l’imprévisibilité. Ne soupçonnant pas encore l’historique des contacts des échantillons pour jouer un rôle, ils avaient testé diverses conditions, utilisant parfois les mêmes échantillons, ignorant complètement que ceux-ci évoluaient à chaque contact supplémentaire. En explorant où faire la recherche, ils ont pensé à tester si des échantillons de PDMS identiques commanderaient dans une série triboélectrique. “J’ai pris un ensemble d’échantillons que j’avais à portée de main – à l’époque, je les réutiliserais pour plusieurs expériences – et pour mon incrédulité, j’ai vu qu’ils avaient commandé une série lors du premier essai”, explique Sobarzo. Excité par ce résultat inattendu, l’équipe a tenté de répéter l’expérience avec de nouveaux échantillons, mais a été rapidement déçu de revoir des résultats aléatoires. “À ce stade, nous aurions pu jeter l’éponge”, explique Sobarzo. “Cependant, j’ai décidé de réessayer avec ce même ensemble d’échantillons le lendemain. Les résultats étaient meilleurs, alors j’ai continué à essayer jusqu’à ce que le cinquième essai les échantillons commandés dans une série parfaite.” Sobarzo venait de trébucher sur la réponse à la raison pour laquelle les anciens échantillons ont travaillé sur le premier essai. Le contact répété a permis aux échantillons d’évoluer. “Dès que nous avons commencé à garder une trace de l’histoire des contacts des échantillons, le hasard et le chaos étaient tout à fait logiques”, explique Waittukaitis. En effet, l’équipe a constaté que les échantillons ont commencé à se comporter de manière prévisible après environ 200 contacts et que l’échantillon plus «contacté» est systématiquement chargé négativement à celui avec les antécédents de contact inférieurs. Les chercheurs ont même montré que les échantillons PDMS pouvaient former de manière fiable une série triboélectrique «pré-conçue» si le nombre de contacts et l’ordre des expériences étaient contrôlés.
Une surface plus lisse
L’idée que l’historique de contact d’un échantillon pourrait contrôler la façon dont ses charges n’avaient jamais été proposées. Avec cela, l’équipe explique pourquoi tant d’expériences d’électrification de contact semblent aléatoires et incontrôlables. Pourtant, une question demeure – comment l’acte de contact change-t-il les échantillons? Ainsi, l’équipe a poussé plus loin, en utilisant diverses techniques sensibles à la surface sur des échantillons avant et après le contact. Parmi tous les paramètres qu’ils ont étudiés, un seul a fourni un indice: ils ont repéré des changements discrets dans la rugosité de surface des matériaux à l’échelle nanoscopique. Plus concrètement, ils ont montré que les contacts lissaient les plus petites bosses à la surface d’un matériau. Comment cela provoque l’électrification de contact, l’équipe ne sait pas, mais comme c’est le seul changement qu’ils pourraient détecter, c’est très suggestif. “Nous avons réussi à révéler un grand indice à un mécanisme insaisissable qui est si fondamental pour notre compréhension de l’électricité et de l’électrostatique et qui a pourtant gardé les scientifiques perplexes pendant si longtemps”, explique Sobarzo. Waittukaitis conclut, à peine capable de cacher son excitation, “Nous avons montré que la science de l’électricité statique n’est plus si désespérée.”
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