Depuis des siècles, les scientifiques ont essayé de comprendre la charge triboélectrique, communément appelée électricité statique.

La charge triboélectrique fait que le toner d'un photocopieur ou d'une imprimante laser adhère au papier, et a probablement facilité la formation de planètes à partir de la poussière spatiale et l'origine de la vie sur terre.

Mais les charges peuvent aussi être destructrices, provoquant des explosions mortelles de poussière de charbon dans les mines et de poussière de sucre et de farine dans les usines de transformation des aliments.

De nouvelles recherches menées par l'Université Case Western Reserve indiquent que de minuscules trous et fissures dans un matériau - des changements dans la microstructure - peuvent contrôler la façon dont le matériau se charge électriquement par friction.

La recherche est une étape vers la compréhension et, finalement, gérer le processus de recharge pour des usages spécifiques et pour augmenter la sécurité, disent les chercheurs. L'étude est publiée dans la revue Documents d'examen physique .

"La charge électrostatique est visible partout, mais nous avons remarqué des cas où les matériaux semblaient se charger plus, comme un ballon frotté sur la tête, ou emballer des cacahuètes collées à votre bras lorsque vous mettez la main dans un paquet, " a déclaré Dan Lacks, président du Département de génie chimique et biomoléculaire et l'un des principaux auteurs de l'étude.

« Notre idée était qu'une contrainte sur les matériaux entraînait une plus grande propension à se charger des matériaux, " Lacks a déclaré. "Après avoir soufflé du polystyrène pour créer le polystyrène expansé qui comprend l'arachide, le matériau conserve indéfiniment ce comportement de charge distinct."

Tester l'idée

Les scientifiques savent depuis longtemps que frotter deux matériaux, comme un ballon sur les cheveux, provoque une charge électrostatique. Pour tester la théorie selon laquelle la contrainte affecte la charge, les chercheurs ont étiré un film de polytétrafluoroethlyne (PTFE) et l'ont frotté contre un film de PTFE non tendu.

« Les expériences de charge triboélectrique sont généralement connues pour leurs – comme certains diraient – ​​des résultats charmantment incohérents, " a déclaré Andrew Wang, un doctorant et co-auteur de Case Western Reserve qui a dirigé les travaux. "Ce qui m'a surpris, initialement, était la cohérence des résultats de charge sans contrainte par rapport à la charge contrainte."

Manque, Wang et Mohan Sankaran, professeur de génie chimique et l'autre auteur principal de l'étude, trouvé à plusieurs reprises un transfert de charge systématique dans une direction, comme si les matériaux étaient constitués de deux compositions chimiques différentes.

Après avoir frotté, les films non tendus avaient clairement tendance à porter une charge négative et le film tendu une charge positive. Le résultat n'était pas cohérent à 100 % du temps, mais statistiquement significatif.

En revanche, les films non tendus frottés ensemble et les films tendus frottés ensemble semblaient se charger de manière aléatoire.

Analyser les résultats

Collaborateurs à l'Université de Bilkent, à Ankara, Turquie, utilisé la diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman pour analyser des échantillons de films tendus et non tendus et trouvés au niveau atomique, ils se ressemblaient presque.

La seule différence détectable entre le film tendu et le film non tendu était la présence de vides dans le matériau - trous et fractures créés par l'étirement, qui a changé la microstructure. Certains trous et fractures ont été détectés à l'œil nu, tandis que d'autres étaient si petits qu'ils nécessitaient l'aide d'un microscope électronique à balayage.

Les chercheurs ont créé des simulations moléculaires de matériaux tendus sur un ordinateur, qui a montré la naissance des vides mais aucun autre changement significatif. Cela indique en outre que le changement de microstructure est la cause probable du transfert de charge systématique.

"Nous pensons que les régions vides et les fibrilles que nous voyons autour d'elles lorsque nous déformons le polymère ont des liaisons différentes et se chargent donc différemment, " Manques dit.

Bien que l'expérience ait porté sur un seul matériau, la contrainte peut affecter tous les matériaux, dit Sankaran. « La contrainte que nous avons exercée sur le PTFE était importante car nous recherchions de grands effets, " at-il dit. " Tous les matériaux peuvent avoir un peu de contrainte de traitement. "

Prochaines étapes

Les chercheurs se concentrent désormais sur les matériaux granulaires ainsi que sur d'autres polymères, y compris les arachides en polystyrène et les sacs en plastique.

Ils espèrent comprendre les bases scientifiques de la charge triboélectrique et ensuite contrôler le processus. L'objectif :prévenir les dommages et les explosions ou exploiter la recharge à des fins bénéfiques, tels que les pesticides agricoles chargés qui adhèrent mieux aux plantes, ou des peintures pour voitures ou même des bronzages en aérosol. Une meilleure adhérence réduirait les quantités appliquées et gaspillées.

Au-delà des usages terrestres, Wang a dit, ces applications et stratégies d'atténuation pourraient être plus pertinentes dans les années à venir alors que les missions spatiales habitées et non habitées traitent de la lune, Mars et poussière d'astéroïde.