Można to nazwać odkryciem szoku. Powlekanie plastikowych lub gumowych materiałów przeciwutleniaczami takimi jak witamina E powstrzymuje ładunki statyczne od budowania się na powierzchni polimeru, donoszą chemicy. Odkrycie to może okazać się tanim rozwiązaniem problemów takich jak kurz przylegający do plastiku, statyczne wstrząsy elektryczne lub iskry, które uszkadzają obwody telewizyjne i smażą płyty główne komputerów.
Dzieci mogą mieć zabawę z elektrycznością statyczną – kiedy pocierają balony o włosy, guma i włosy przyklejają się do siebie z powodu przyciągania pomiędzy przeniesionymi naładowanymi cząstkami. Jednak ładunki statyczne, które gromadzą się na elementach przemysłowych, takich jak plastikowe filtry paliwa w samochodach lub wewnątrz elementów półprzewodnikowych, mogą prowadzić do potencjalnie niebezpiecznych iskier elektrycznych i gromadzenia się kurzu.
Zagadka z elektrycznością statyczną, wyjaśnia Bartosz Grzybowski, chemik fizyczny z Northwestern University w Evanston, Illinois, polega na tym, że chociaż naładowane cząsteczki powinny się odpychać, kiedy lądują na powierzchni izolacyjnej, co sprawia, że rozchodzą się równomiernie po całym materiale i wydostają się z powrotem do powietrza, w rzeczywistości tworzą stabilne, długotrwałe skupiska. Prowadzi to do gromadzenia się dużych ilości ściśle zamkniętego ładunku elektrostatycznego, wystarczającego do gwałtownego rozładowania, gdy dostępna staje się ścieżka przewodząca: na przykład, strzelając przez ludzkie ciało do metalowej poręczy lub iskrząc w powietrzu jak miniaturowa błyskawica.
Leczenie witaminowe
Zespół Grzybowskiego donosi w Science, że rozwiązał tę zagadkę. Naukowcy zbadali pod mikroskopem wzory ładunku elektrycznego i magnetycznego powstające, gdy naładowane cząsteczki lądują na powierzchniach polimerów. Odkryli, że naładowane cząstki są stabilizowane przez rodniki – reaktywne cząsteczki z wolnymi, niezwiązanymi elektronami, które tworzą się, gdy wiązania chemiczne są zrywane na powierzchni. Rodniki dzielą część ciężaru ładunku elektrycznego; bez nich naładowane cząsteczki nie byłyby w stanie zlepiać się ze sobą tak ciasno. Rozwiązaniem, jak twierdzi zespół, jest zastosowanie powłok powierzchniowych, które reagują chemicznie z rodnikami, usuwając je. Takie powłoki mogłyby zawierać witaminę E, wśród innych tanich, nietoksycznych antyoksydantów. Niektóre z tych związków chemicznych są w rzeczywistości dodawane do mieszanek, z których wytwarzane są polimery, w celu zmiatania rodników powstających, gdy światło ultrafioletowe uszkadza plastik – ale nie były one stosowane jako powłoki antystatyczne.
Badacze udowodnili swoją tezę, stosując roztwory zmiataczy rodników do powlekania popularnych polimerów, takich jak kulki polistyrenu. Oczywiście, po wstrząśnięciu w celu uzyskania ładunku elektrostatycznego, powleczone kulki pozbywały się elektryczności statycznej w ciągu kilku minut. Naukowcy użyli również powłoki antystatycznej do ochrony komponentu tranzystora, pokazując, że pozostał on nieuszkodzony, gdy naładowane cząstki zostały wystrzelone w niego z działa jonowego. „To naprawdę niewiarygodne, że odpowiedź jest tak prosta” – mówi Grzybowski.
Inni badacze, z którymi skontaktowało się Nature, uznali tę pracę za ekscytującą. Prawdziwym postępem jest wgląd w podstawowe przyczyny powstawania elektryczności statycznej, mówi Michael Dickey, który bada nanoelektronikę na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej w Raleigh. „Jest to bardzo sprytne rozwiązanie starego problemu,” dodaje.
Uporanie się z efektami elektryczności statycznej jest „bardzo dużym problemem w przemyśle,” mówi Fred Roska, badacz z 3M w Saint Paul, Minnesota. Dodaje on, że samo znalezienie sposobu na dostarczenie naładowanych cząstek, które zneutralizują ładunek statyczny gromadzący się na polimerach podczas produkcji półprzewodników, na przykład, jest rynkiem wartym miliardy dolarów. Firmy przemysłowe również radzą sobie z elektrycznością statyczną poprzez modyfikację materiałów, których używają: albo poprzez pokrywanie polimerów powłokami wodnymi lub żelowymi, przez które ładunek może się rozproszyć, albo poprzez wprowadzanie przewodzących pasków metalu lub nanorurek węglowych do mieszanki polimerowej, aby zapewnić ścieżkę dla ładunku statycznego, który może zanikać.
Ale te rozwiązania wiążą się z kompromisami, takimi jak uczynienie plastiku bardziej przewodzącym, a nie zajmują się podstawową przyczyną gromadzenia się ładunków statycznych. Sądzi on, że powłoki antyoksydacyjne okażą się tańszym rozwiązaniem. Mówi, że opatentował swoje odkrycie i ma nadzieję na udzielenie licencji firmom takim jak 3M i Dow.
Ten artykuł został powielony za zgodą magazynu Nature. Artykuł został po raz pierwszy opublikowany 19 września 2013 roku.