Углерод на поверхности материалов управляет электричеством при трении и ударах

Исследователи из Австрийского института науки и технологий установили, что направление переноса электрического заряда при столкновении идентичных изолирующих материалов определяется тонкими слоями углеродных молекул на их поверхности. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Команда под руководством Скотта Вайтукайтиса изучала поведение частиц кремнезема при многократных столкновениях. Для эксперимента применялась акустическая левитация, позволившая подвешивать отдельные зерна без физического контакта с инструментами. Частицы сталкивались с пластиной из того же материала, после чего фиксировался заряд с точностью до 500 электронов. Одни образцы стабильно приобретали положительный заряд, другие — отрицательный.

Ведущий автор исследования Галиен Грожан обнаружил ключевую закономерность при термической обработке образцов. После нагрева все частицы начинали получать отрицательный заряд. Поскольку кварцевое стекло устойчиво к температурным воздействиям, изменения связали с адсорбированными на поверхности молекулами.

Анализ состава поверхности показал, что термообработка и плазменная очистка удаляют естественное покрытие из углеродных соединений, попадающих на материалы из окружающей среды. В течение суток после обработки эффект ослабевал, параллельно возвращались углеродные соединения. Молекулы воды восстанавливались быстрее, что исключило их из возможных причин.

Эксперименты с оксидом алюминия, шпинелью и диоксидом циркония подтвердили универсальность открытия. Исследователи смогли изменить полярность трибоэлектрического ряда материалов, удаляя углеродное покрытие с образцов. Дисбаланс в углеродных слоях перевешивал собственные свойства материалов.

Открытие объясняет механизм электризации в природных процессах: пылевых бурях, вулканических молниях, протопланетных дисках. Даже один монослой углерода меняет направление переноса заряда между частицами размером менее миллиметра.

Источник: SciTechDaily