Die Frage, warum das Gleiten eine wichtige Rolle bei der triboelektrischen Erzeugung von statischer Elektrizität – dem „Tribo“ in der Triboelektrizität – spielt, ist ein Dauerbrenner in der Wissenschaft. Das zumindest behaupten Forscher der Northwestern University, die nun auch den wahren Grund hinter der statische Elektrizität gefunden haben wollen. In ihrer Veröffentlichung "What Puts the “Tribo” in Triboelectricity?" in der Zeitschrift Nano Letters zeigen sie, dass das Reiben von zwei Materialien mikroskopisch kleine Deformationen auf ihren Oberflächen verursacht. Diese Deformationen erzeugten Spannungen, die letztendlich zu elektrischen Strömen führten. Damit hätten sie ein über 2.500 Jahre altes Rätsel gelöst, denn obwohl die erste Beobachtung dieses Phänomens bereits etwa um 550 v. Chr. von Thales von Milet dokumentiert wurde, war die genaue Ursache bis heute unklar. Bei ihren Untersuchungen entdeckten die Forscher, dass das Reiben von zwei Materialien winzige Verformungen auf deren Oberflächen erzeugt, die als nanoskalige Deformationen bezeichnet werden. Diese winzigen Unebenheiten auf der Oberfläche der Materialien führen dazu, dass sich elektrische Spannungen aufbauen, was letztlich die bekannte statische Ladung erzeugt.
Welche Rolle spielen nanoskalige Variationen bei der Entstehung?
Das zentrale Element der neuen Erkenntnisse ist die Entdeckung, dass die Reibung zwischen zwei Oberflächen nanoskalige Unregelmäßigkeiten verformt und dadurch elektrische Ladungen erzeugt. Lawrence Marks, ein führender Wissenschaftler des Projekts, erklärte, dass diese Deformationen auf der Vorder- und Rückseite eines Objekts unterschiedlich stark ausgeprägt sind, was zur Bildung verschiedener elektrischer Ladungen führt. Sobald sich genug Spannung zwischen den beiden Seiten aufbaut, entsteht ein elektrischer Strom, der als die bekannte statische Entladung wahrgenommen wird. Dieses Phänomen, das bisher nur unzureichend verstanden wurde, wird durch das neue Modell detailliert beschrieben und erklärt. Bereits 2019 hatten Marks und sein Team erste Erkenntnisse erzielt, als sie feststellten, dass Reibung winzige Oberflächenverformungen erzeugt, die Spannungen aufbauen.
Welche Auswirkungen hat statische Elektrizität auf den Alltag?
Statische Elektrizität beeinflusst viele Bereiche des täglichen Lebens. Ein klassisches Beispiel ist das Berühren eines Türknaufs nach dem Streicheln eines Haustiers, was oft zu einem leichten elektrischen Schlag führt. Auch in der Industrie ist statische Elektrizität von großer Bedeutung, da sie unter anderem Explosionsrisiken durch Funkenbildung erhöht. Besonders gefährlich ist dies bei der Verarbeitung von Pulvern oder in Bereichen mit leicht entzündlichen Stoffen. Darüber hinaus kann die statische Aufladung die Dosierung von Medikamenten in Pulverform beeinflussen oder das Verhalten von Kaffeepartikeln während des Mahlens verändern, was Auswirkungen auf den Geschmack hat.
Reibung und elastische Scherung hängen zusammen
Das Konzept der elastischen Scherung spielt eine zentrale Rolle bei der Erklärung, wie statische Elektrizität durch Reibung entsteht. Wenn ein Objekt über eine Oberfläche gleitet, erfährt es einen Widerstand, der sogenannte Scherkräfte erzeugt. Diese Scherkräfte führen zu den Deformationen der nanoskaligen Unebenheiten auf der Oberfläche, die Spannungen und letztlich elektrische Ladungen erzeugen. Das neue Modell zeigt, dass der Unterschied in den auf der Vorder- und Rückseite eines gleitenden Objekts wirkenden Kräften den Aufbau dieser Spannungen erklärt.
Haben die Erkenntnisse Auswirkungen in der Zukunft?
Das tiefere Verständnis der Mechanismen hinter der statischen Elektrizität könnte in vielen Industrien zu bedeutenden Verbesserungen führen. Zum Beispiel könnten Risiken durch ungewollte Entladungen minimiert werden, was die Sicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen erhöht. In der Elektronikfertigung könnte das Wissen über statische Aufladung dazu beitragen, empfindliche Bauteile besser zu schützen. Auch in der Medizin könnte das präzisere Verständnis der Mechanismen dazu beitragen, die Dosierung von Medikamenten in Pulverform zu optimieren. Insgesamt bietet diese Entdeckung neue Möglichkeiten, statische Elektrizität gezielt zu nutzen oder deren negative Auswirkungen zu vermeiden.
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Der Autor: Dr. Martin Large
Aus dem Schoß einer Lehrerfamilie entsprungen (Vater, Großvater, Bruder und Onkel), war es Martin Large schon immer ein Anliegen, Wissen an andere aufzubereiten und zu vermitteln. Ob in der Schule oder im (Biologie)-Studium, er versuchte immer, seine Mitmenschen mitzunehmen und ihr Leben angenehmer zu gestalten. Diese Leidenschaft kann er nun als Redakteur ausleben. Zudem kümmert er sich um die Themen SEO und alles was dazu gehört bei all-electronics.de.