Aujourd’hui, les chercheurs de Princeton ont insufflé une nouvelle vie au statique. En utilisant des millions d’heures de calcul pour exécuter des simulations détaillées, les chercheurs ont trouvé un moyen de décrire la charge statique atome par atome grâce aux mathématiques de la chaleur et du travail. Leur article, "Forces motrices thermodynamiques dans l'électrification de contact entre matériaux polymères", paraît dans Nature Communications. .

L’étude a spécifiquement examiné la manière dont la charge se déplace entre des matériaux qui ne permettent pas la libre circulation des électrons, appelés matériaux isolants, tels que le vinyle et l’acrylique. Les chercheurs ont déclaré qu'il n'existe aucune idée établie sur les mécanismes à l'origine de ces secousses, malgré l'omniprésence de l'électricité statique :le crépitement et le bruit des vêtements sortis d'un sèche-linge, des cacahuètes d'emballage qui s'accrochent à une boîte.

"Nous savons que ce ne sont pas des électrons", a déclaré Mike Webb, professeur adjoint de génie chimique et biologique, qui a dirigé l'étude. "Qu'est-ce qu'il y a ?"

Webb s'est posé cette question pour la première fois alors qu'il était chercheur postdoctoral à l'Université de Chicago. Il s'est interrogé sur cette question avec ses collègues, déconcerté qu'un phénomène aussi courant puisse être si mal compris. Mais plus ils regardaient, plus les questions devenaient insurmontables. "Cela semblait hors de portée", a-t-il déclaré.

Il était hors de portée depuis que Thalès de Milet frottait pour la première fois l'ambre avec de la fourrure et regardait l'ambre (grec :elektron) ramasser les plumes et la poussière, il y a 26 siècles. Thalès fut l’un des premiers à expliquer la nature par la raison plutôt que par des forces surnaturelles. Il a joué un rôle essentiel dans le développement de la philosophie et finalement de la science. Malgré la profondeur et l’étendue des connaissances accumulées au cours des millénaires suivants, malgré la myriade de technologies nées de ces connaissances, la science, pendant tout ce temps, n’a jamais brisé le statique. Peut-être que ce ne serait jamais le cas.

À Princeton, Webb a pu s'entretenir avec son collègue Sankaran Sundaresan, un éminent expert en ingénierie des réactions chimiques spécialisé dans le flux de matériaux dans des chambres gazeuses. Dans ces environnements chargés de produits chimiques volatils, une étincelle parasite pourrait être mortelle. Sundaresan travaillait avec la charge statique depuis des décennies, utilisant des données expérimentales fiables pour prédire, mais sans comprendre pleinement, comment la charge se déplaçait dans ces systèmes.

"Je traite cela comme une boîte noire", a déclaré Sundaresan, professeur d'ingénierie Norman John Sollenberger. "Nous faisons quelques expériences et les expériences me disent :voilà ce qui se passe. Voilà la charge." Il travaille jusqu'à la limite et note soigneusement ce qu'il voit. Ce qui se passe à l'intérieur de la boîte noire reste un mystère.

Cependant, selon Sundaresan, une chose que vous trouvez, peu importe où vous regardez, ce sont des traces d'eau. Les molécules d’eau chargées sont partout, dans presque tout, accrochées à pratiquement toutes les surfaces de la Terre. Même dans des conditions extrêmement arides, sous une chaleur intense, les ions d'eau parasites s'accumulent dans des oasis microscopiques qui abritent des charges électriques.

À propos, Thales est surtout connu non pas pour ses travaux sur l’électricité, mais pour un projet encore plus ambitieux. Il a proposé que la nature entière était constituée d'eau, que l'eau était la substance Ur, la matière essentielle. C’était la première tentative d’une théorie unifiée du tout. Aristote a tout écrit.

Au cours de la carrière de Sundaresan, lui et ses collègues ont réduit cette boîte noire afin que les mystères soient encore plus profonds. Mais ils demeurent des mystères.

La conversation entre lui et Webb a conduit à une prise de conscience mutuelle. Sundaresan avait des décennies d'expérience dans les données des réacteurs, et Webb pouvait appliquer des techniques informatiques sophistiquées à l'échelle atomique pour examiner ces ions d'eau du point de vue de la thermodynamique.

Quelle quantité d’énergie faudrait-il pour qu’un ion d’eau se déplace d’une surface à l’autre ? Peut-être que cela expliquerait ce qui se passait dans la boîte noire de Sundaresan. L'énigme non résolue des années postdoctorales de Webb a été déverrouillée.

En modélisant la relation entre les molécules d'eau chargées et la quantité d'énergie dont ces molécules disposent pour les propulser entre les surfaces, Webb et Hang Zhang, étudiant diplômé, ont démontré une approximation mathématique très précise de la façon dont la charge électrique se déplace entre deux matériaux isolants.

En d’autres termes, ils ont utilisé les mathématiques pour simuler le mouvement d’environ 80 000 atomes. Ces simulations correspondaient à des observations réelles avec un très haut degré de précision. Il s'avère, selon toute vraisemblance, que le choc statique est fonction de l'eau, et plus particulièrement de l'énergie libre des ions d'eau parasites.

Avec ce cadre, Webb et Zhang ont révélé les fondements moléculaires de ces chocs familiers avec des détails infinitésimaux. Ils ont fait exploser la boîte noire de Sundaresan. Si seulement Thalès pouvait voir.