解决了摩擦如何产生静电这一长期以来的谜题

marks static hair新模型解释了为什么气球可以让头发立起来

大多数人都有过这样的经历:在头上摩擦气球会让人毛骨悚然,或者在地毯上拖着脚走路会让人产生微妙的火花。尽管这些经历很常见,但2500多年来,科学家们一直无法详细了解它们是如何发生的。

现在,美国西北大学的一个研究小组开发了一种新的模型,该模型显示,通过弯曲材料表面的微小突起,摩擦两个物体会产生静电或摩擦电。

劳伦斯marks static标志

这一新的认识可能对现有的静电应用(如能量收集和打印)以及避免潜在的危险(如静电火花引发的火灾)具有重要意义。

这项研究将于9月12日星期四发表在《物理评论快报》上。西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程教授劳伦斯·马克斯(Laurence Marks)领导了这项研究。马克斯实验室的博士生克里斯托弗·米兹(Christopher Mizzi)和亚历克斯·林(Alex Lin)是论文的共同第一作者。

公元前600年,米利都的希腊哲学家泰勒斯首次报道了摩擦产生的静电。

马克说:“从那时起,很明显,摩擦会导致所有绝缘体产生静电,而不仅仅是皮毛。”“然而,这或多或少是科学共识的终点。”

在纳米尺度上,所有的材料都有粗糙的表面和无数的微小突起。当两种物质接触并互相摩擦时,这些突起就会弯曲变形。

马克斯的团队发现,这些变形会产生电压,最终导致静电充电。这种现象被称为“弯曲电效应”,当绝缘体中电荷的分离产生于诸如弯曲之类的变形时,就会发生这种现象。

西北大学的研究小组用一个简单的模型表明,摩擦过程中弯曲凸起产生的电压确实大到足以产生静电。这项工作解释了大量的实验观察结果,比如为什么即使两块相同的材料摩擦在一起也会产生电荷,并以惊人的准确性预测了实验测量的电荷。

马克说:“我们的发现表明,摩擦电、柔性电和摩擦力是密不可分的。”“这为为当前的应用程序定制摩擦学性能,并将功能扩展到新技术提供了更多的视角。”

“这是一个很好的例子的基础研究如何解释日常现象没有先前的理解,以及如何在一个领域的研究——在这种情况下摩擦磨损会导致意想不到的另一个领域的进步,”安德鲁·威尔斯说,项目负责人在美国国家科学基金会(NSF),资助这项研究。“国家科学基金会资助材料科学和工程领域的这类研究,以获取新知识,这些知识有一天会带来新的机遇。”

这项名为“柔性电力驱动摩擦发电”的研究得到了美国国家科学基金会(奖号CMMI-1400618)和美国能源部(奖号DE-FG02-01ER45945)的支持。

——克里斯托弗·米兹

题目:麦考密克工程学院,研究

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.northwestern.edu/stories/2019/09/solving-the-longstanding-mystery-of-how-friction-leads-to-static-electricity/