Het zou een schokkende ontdekking genoemd kunnen worden. Het bedekken van plastic of rubbermaterialen met anti-oxyderende middelen zoals vitamine E stopt statische lading van het opbouwen op het polymeeroppervlakte, melden chemici vandaag. De ontdekking zou een goedkope oplossing kunnen zijn voor problemen zoals stof dat aan plastic blijft kleven, statische elektrische schokken, of de vonken die televisiecircuits beschadigen en computermoederborden bakken.
Kinderen kunnen veel plezier beleven aan statische elektriciteit – als ze ballonnen over hun haar wrijven, blijven het rubber en het haar aan elkaar plakken door de aantrekkingskracht tussen overgedragen geladen deeltjes. Maar statische lading die zich opbouwt op industriële componenten, zoals plastic brandstoffilters op auto’s of binnenin halfgeleideronderdelen, kan leiden tot potentieel gevaarlijke elektrische vonken en een opeenhoping van stof.
Het raadsel met statische elektriciteit, legt Bartosz Grzybowski, een fysisch chemicus aan de Northwestern University in Evanston, Illinois, uit, is dat hoewel geladen deeltjes elkaar zouden moeten afstoten wanneer ze landen op een isolerend oppervlak, waardoor ze zich gelijkmatig over een materiaal verspreiden en terug de lucht in lekken, ze in feite stabiele, langlevende klonters vormen. Dit leidt tot de opbouw van grote hoeveelheden strak opgesloten statische lading, genoeg om zich abrupt te ontladen wanneer een geleidend pad beschikbaar komt: bijvoorbeeld door een menselijk lichaam naar een metalen reling te schieten, of door de lucht te vonken als een miniatuur bliksemschicht.
Vitaminebehandeling
Grzybowski’s team meldt in Science dat het het mysterie heeft opgelost. De onderzoekers onderzochten onder de microscoop de patronen van elektrische en magnetische lading die ontstaan wanneer geladen deeltjes landen op polymeeroppervlakken. Zij ontdekten dat geladen deeltjes worden gestabiliseerd door radicalen – reactieve moleculen met reserve, ongebonden elektronen die zich vormen wanneer chemische bindingen op een oppervlak worden verbroken. De radicalen delen een deel van de last van de elektrische lading; zonder hen zouden de geladen deeltjes niet zo dicht op elkaar kunnen klonteren. Het antwoord, aldus het team, is het aanbrengen van oppervlaktecoatings die chemisch reageren met de radicalen en ze opruimen. Dergelijke coatings zouden vitamine E kunnen bevatten, naast andere goedkope, niet-toxische antioxidanten. Sommige van deze chemicaliën worden in feite al toegevoegd aan de mengsels waarvan polymeren worden gemaakt, om de radicalen op te ruimen die ontstaan wanneer ultra-violet licht plastic beschadigt – maar ze zijn nog niet gebruikt als antistatische coatings.
De onderzoekers bewezen hun zaak door oplossingen van radicaalvangers te gebruiken om gewone polymeren te coaten, zoals polystyreenkorrels. Na te zijn geschud om statische lading op te wekken, lieten de gecoate parels hun statische elektriciteit binnen enkele minuten los. De wetenschappers gebruikten hun antistatische coating ook om een transistoronderdeel te beschermen, en toonden aan dat het onbeschadigd bleef toen er geladen deeltjes op werden afgeschoten vanuit een ionenkanon. “Het is eigenlijk ongelooflijk dat het antwoord zo eenvoudig is,” zegt Grzybowski.
Andere onderzoekers die door Nature werden benaderd, vonden het werk opwindend. De echte vooruitgang is het inzicht in de hoofdoorzaken van statische elektriciteit, zegt Michael Dickey, die onderzoek doet naar nano-elektronica aan de North Carolina State University in Raleigh. “
Het omgaan met de effecten van statische elektriciteit is “een zeer groot probleem in de industrie”, zegt Fred Roska, een onderzoeker bij 3M in Saint Paul, Minnesota. Hij voegt eraan toe dat alleen al het vinden van manieren om geladen deeltjes te leveren die de statische lading neutraliseren die zich opbouwt op polymeren tijdens de productie van halfgeleiders, bijvoorbeeld, een miljardenmarkt is. Industriële bedrijven gaan ook om met statische elektriciteit door de materialen die zij gebruiken aan te passen: hetzij door polymeren te bedekken met water of gel coatings waardoor de lading kan verdwijnen, of door geleidende stroken metaal of koolstof nanobuisjes in een polymeermengsel aan te brengen om een pad voor statische lading te bieden om weg te vervagen.
Maar deze oplossingen brengen compromissen met zich mee, zegt Grzybowski, zoals het meer geleidend maken van een kunststof, en pakken niet de onderliggende oorzaak van de statische opbouw aan. En hij denkt dat de antioxidant coatings een goedkopere oplossing zullen blijken te zijn. Hij zegt dat hij de ontdekking heeft gepatenteerd en hoopt deze in licentie te kunnen geven aan bedrijven als 3M en Dow.
Dit artikel is overgenomen met toestemming van het tijdschrift Nature. Het artikel is voor het eerst gepubliceerd op 19 september 2013.