Onderzoek op nanoniveau beantwoordt na 2600 jaar van onwetendheid de vraag: hoe ontstaan statische schokken?

Statische elektriciteit is al eeuwenlang een raadsel voor wetenschappers. De eerste vermelding ervan was door een Griekse filosoof Thales van Milete rond 600 voor christus, die schreef dat als er maar hard genoeg over een steen werd gewreven, er kleine stofdeeltjes aan bleven plakken.

Op het eerste gezicht lijkt het een simpel fenomeen, maar het is moeilijk te verklaren hoe de ladingen precies ontstaan en wat ervoor zorgt dat ze zich soms plotseling ontladen. Lastig is de schaal waarop het plaatsvindt. Interacties tussen elektronen gebeuren namelijk op nanoniveau, wat het meten ervan extra moeilijk maakt. Onderzoekers van Northwestern University publiceerden eerder al een hypothese over het onderwerp. In een recente publicatie zijn ze er dan eindelijk uit.

Lees ook:

• Krijgen katten ook een statische schok?
• Koreanen hebben het statische maanoppervlak op aarde nagemaakt

Wat een spanning…

In 2019 begon hun onderzoek naar statische elektriciteit. De focus lag hier vooral op de manier waarop elektronen zich gedragen op het grensvlak tussen twee materialen. Zo kwamen ze erachter dan het langs elkaar wrijven van twee materialen leidt tot onregelmatigheden op nanoschaal in de oppervlakten.

In een recent experiment ontdekten diezelfde onderzoekers dat deze kleine vervormingen op het oppervlak statische elektriciteit veroorzaken door een proces dat ‘elastische afschuiving’ heet. Hierbij ontstaat er wrijving wanneer een materiaal weerstand biedt tegen een glijdende kracht. De wrijving bouwt lading op rond oneffenheden op het oppervlak.

De opgebouwde ladingen kunnen zodra de spanning hoog genoeg wordt een elektrische stroom genereren, wat resulteert in de bekende statische schok. Volgens de onderzoekers laat het experiment zien dat de structuur en ruwheid van de oppervlakte van een materiaal bepalend zijn voor het ontstaan en doorgeven van statische lading. Oneffenheden in het oppervlak bieden namelijk meer plekken waar lading zich kan ophopen. Hoe ruwer en onregelmatiger het oppervlak, hoe groter de kans op een statische schok.

Safety first

Statische elektriciteit kan grappige effecten hebben, zoals haar dat overeind staat of een onschuldig schokje als je iemand anders aanraakt. Maar het kan ook grote negatieve gevolgen hebben. Statische elektriciteit is bijvoorbeeld brandgevaarlijk in de buurt van benzine, en kan industriële apparatuur beschadigen door elektrostatische ontladingen.

Door een beter begrip van hoe en waar statische ladingen opbouwen, kunnen er materialen ontwikkeld worden die deze ladingen verminderen of juist benutten. Het kan niet alleen schade aan gevoelige apparatuur voorkomen, maar ook mogelijkheden bieden in het genereren en opslaan van energie op nanoschaal. Dit kan handig zijn voor bijvoorbeeld kleine, draagbare medische apparaten en sensoren.

Bronnen: Nano Letters, Discover Magazine

Beeld: Magnus Manske/Wikimedia Commons

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!