La plupart des gens ont expérimenté l'effet ébouriffant du frottement d'un ballon sur leur tête ou l'étincelle subtile causée par le fait de traîner des pieds chaussés sur le tapis. Bien que ces expériences soient courantes, une compréhension détaillée de la façon dont ils se produisent a échappé aux scientifiques pendant plus de 2, 500 ans.

Maintenant, une équipe de la Northwestern University a développé un nouveau modèle qui montre que le frottement de deux objets ensemble produit de l'électricité statique, ou triboélectricité, en pliant les minuscules protubérances à la surface des matériaux.

Cette nouvelle compréhension pourrait avoir des implications importantes pour les applications électrostatiques existantes, comme la récupération d'énergie et l'impression, ainsi que pour éviter les dangers potentiels, tels que les incendies déclenchés par des étincelles d'électricité statique.

La recherche sera publiée jeudi, 12 septembre dans la revue Lettres d'examen physique . Laurence Marc, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern, dirigé l'étude. Christopher Mizzi et Alex Lin, doctorants au laboratoire de Marks, étaient co-premiers auteurs de l'article.

Le philosophe grec Thalès de Milet a signalé pour la première fois l'électricité statique induite par la friction en 600 av. Après avoir frotté l'ambre avec de la fourrure, il remarqua que la fourrure attirait la poussière.

"Depuis, il est devenu clair que le frottement induit une charge statique dans tous les isolants, pas seulement la fourrure, " dit Marks. " Cependant, c'est plus ou moins là où le consensus scientifique s'est terminé."

A l'échelle nanométrique, tous les matériaux ont des surfaces rugueuses avec d'innombrables petites saillies. Lorsque deux matériaux entrent en contact et frottent l'un contre l'autre, ces saillies se plient et se déforment.

L'équipe de Marks a découvert que ces déformations donnent lieu à des tensions qui finissent par provoquer une charge statique. Ce phénomène est appelé « effet flexoélectrique, " qui se produit lorsque la séparation de charge dans un isolant résulte de déformations telles que la flexion.

A l'aide d'un modèle simple, l'équipe de Northwestern a montré que les tensions résultant des saillies de flexion pendant le frottement sont, En effet, assez grand pour provoquer de l'électricité statique. Ce travail explique un certain nombre d'observations expérimentales, comme la raison pour laquelle des charges sont produites même lorsque deux morceaux du même matériau sont frottés ensemble et prédit les charges mesurées expérimentalement avec une précision remarquable.

"Notre découverte suggère que la triboélectricité, flexoélectricité et friction sont indissociables, ", a déclaré Marks. "Cela fournit beaucoup d'informations sur l'adaptation des performances triboélectriques pour les applications actuelles et l'extension des fonctionnalités aux nouvelles technologies."

"C'est un excellent exemple de la façon dont la recherche fondamentale peut expliquer des phénomènes quotidiens qui n'avaient pas été compris auparavant, et de la façon dont la recherche dans un domaine - dans ce cas la friction et l'usure - peut conduire à des avancées inattendues dans un autre domaine, " a déclaré Andrew Wells, un directeur de programme à la National Science Foundation (NSF), qui a financé la recherche. "La NSF finance des recherches comme celle-ci en science et ingénierie des matériaux pour de nouvelles connaissances qui pourront un jour ouvrir de nouvelles opportunités."