Электризация тел может приводить к мозаичному распределению зарядов на их поверхности

Автор: Юрий Ерин

Рис. 1.a) Список материалов, показывающий, как они будут заряжаться при их взаимном контакте (соприкосновении или трении). Материал, находящийся в списке выше, будет заряжаться положительно, ниже, — отрицательно. Данный список установлен эмпирическим путем. Позиции некоторых веществ, в частности полиметилметакрилата (органического стекла), полистирола и поливинилхлорида,могут меняться в других публикациях. b) Набор веществ, образующих циклическую серию в процессе их электризации (например, контакт цинка с шелком приведет к появлению положительного заряда на первом веществе и отрицательного на втором). Изображение из статьи: Logan S. McCarty, George M. Whitesides. Electrostatic Charging Due to Separation of Ions at Interfaces: Contact Electrification of Ionic Electrets в журнале Angewandte Chemie International Edition

Общеизвестно, что соприкосновение или трение двух материалов приводит к появлению электрического заряда на их поверхностях. Это явление называется электризацией трением, или контактной электризацией. Длительное время считалось, что в ходе электризации одно тело заряжается однородно положительно, а другое — однородно отрицательно. Ученые из США продемонстрировали некорректность данного утверждения на примере полимерных соединений-диэлектриков. Проведенные ими эксперименты установили, что контакт этих веществ приводит к появлению на их поверхности мозаики из наноскопических областей, имеющих разные по знаку заряды.

При соприкосновении двух тел или их трении они, будучи до этого электронейтральными, приобретают, соответственно, положительный и отрицательный электрический заряд, который равномерно распределяется по их поверхности (рис. 1). В школьном курсе физики это явление называют электризацией трением, или контактной электризацией.

Хотя явление электризации известно с древних времен (первым процесс электризации описал Фалес Милетский), не всё с ним ясно и поныне. Условно эту физическую проблему можно разделить на три части: электризация металлом металла, диэлектрика металлом и диэлектрика диэлектриком. Для первой комбинации веществ процесс электризации хорошо изучен и понят: распределение зарядов идет до тех пор, пока не выровняются уровни Ферми двух металлов, причем положительно (отрицательно) заряжается то вещество, у которого уровень Ферми выше (ниже). Это явление в физике более известно как возникновение контактной разности потенциалов.

Электризация диэлектрика металлом в настоящее время изучается весьма активно, однако остается неясным, до каких пор происходит трансфер зарядов между металлом и диэлектриком, чем определяется окончание этой передачи — электрическим полем, созданным в результате электризации, или числом доступных электронных состояний в диэлектрике (то есть тем, сколько электронов позволяет принять/отдать данный диэлектрик).

Наконец, процесс электризации диэлектрика диэлектриком изучен крайне слабо, хотя специалисты полагают, что если до конца понять электризацию диэлектрика металлом, то впоследствии несложно будет выяснить и механизм электризации двух диэлектриков.

В любом случае, принято считать, что поверхность одного из пары веществ заряжается однородным образом положительно, а другого — однородно отрицательно. Однако это не позволяет объяснить результаты некоторых экспериментов, в которых различные частицы одного и того же материала или даже целые макроскопические области одного образца имели различные зарядовые характеристики (см. например, статью Electrification of granular systems of identical insulators (также доступную здесь), посвященную исследованию причин, по которым маленькие частицы гранулярной диэлектрической среды заряжаются отрицательно, а большие — положительно).

В журнале Science опубликована экспериментальная работа коллектива ученых из США The Mosaic of Surface Charge in Contact Electrification, которая в очередной раз доказывает, что для некоторых макроскопических тел картина электризации может сильно отличаться от общепринятой. Авторы статьи при помощи разновидности атомно-силовой микроскопии — метода зонда Кельвина (Kelvin probe force microscope), позволяющего визуализировать распределение электрического потенциала поверхности изучаемого объекта, — обнаружили, что электризация отдельных полимерных соединений приводит к появлению своеобразной мозаики: участков размером порядка 100 нм, имеющих противоположные по знаку заряды.

Рис. 2. (A) Возможные сценарии контактной электризации. Вверху: после контакта и разделения двух поверхностей одна из них заряжается равномерно положительно, другая — отрицательно. Внизу: контактная электризация двух полимерных соединений приводит к появлению мозаики на их поверхностях — разноименно заряженных областей размером порядка 100 нм. (B)–(D) — трехмерные карты распределения электрического потенциала на поверхностях полимеров, полученные при помощи метода зонда Кельвина. (B) Распределение потенциала на поверхности полидиметилсилоксана (PDMS) перед электризацией. Такое же равномерное распределение наблюдалось и на поверхности остальных материалов, задействованных в эксперименте. (C) Распределение потенциала на поверхности PDMS после контакта с другой поверхностью PDMS. Несмотря на зарядовую мозаику, суммарный заряд, полученный PDMS, отрицательный; при этом поверхностная плотность составляет –0,2 нКл/см2 (нанокулон на квадратный сантиметр). (D) Поверхность поликарбоната (PC) после контакта с PDMS. Полученный заряд положительный. Поверхностная плотность равна 0,16 нКл/см2. В левой колонке — проекции соответствующих 3D-карт распределения потенциала на поверхности полимера. Вариации цвета соответствуют изменению потенциала от –1 В до +1 В. Просканированный зондом Кельвина участок поверхности имеет размеры 4,5 на 4,5 микрометра. Длина масштабной линейки 500 нм. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Изучение процесса появления зарядов на поверхности тел в ходе их электризации происходило на примере полидиметилсилоксана, поликарбоната, политетрафторэтилена (тефлона), обладающих диэлектрическими свойствами. Ученые исследовали также кремний (полупроводник) и алюминий (металл), чтобы показать, что подобная мозаика не наблюдается на поверхностях этих материалов, а также убедиться, что полученные результаты не являются артефактом эксперимента. Измерение плотности поверхностного заряда и контроль электронейтральности поверхности до начала электризации осуществлялся при помощи цилиндра Фарадея, присоединенного к очень точному электрометру. Все эксперименты проходили в нормальных атмосферных условиях (температура +22°C, относительная влажность 24%)

На рис. 2B, C и D представлены распределения электрического потенциала поверхности полимерного диэлектрического материала, полученные зондом Кельвина. Авторы статьи сообщают, что до начала электризации на поверхности материалов отсутствовали какие-либо электрические заряды, по крайней мере измерительная техника, работая на пределе точности, не зафиксировала их наличия (рис. 2B). После электризации на поверхности веществ с диэлектрическими свойствами образовывались наноскопические области с разным знаком заряда. Авторы статьи назвали наблюдаемую ими картину мозаикой, отмечая, что распределение элементов мозаики носило случайный характер и не зависело от того, как в целом заряжались тела в ходе электризации (рис. 2С, D). Алюминий и кремний подобного поведения не проявляли.

Как было установлено в ходе последующих исследований, полученные результаты не претерпевают качественных изменений, если варьировать продолжительность контакта поверхностей (от 2 секунд до 1,5 часов). Также никаких существенных метаморфоз не происходит, если к соприкасающимся телам прикладывать давление (от 0,01 МПа до 4,5 МПа, то есть от 0,1 атмосферы до 45 атмосфер). Никакой роли не играет и характер разделения контактирующих объектов, то есть то, медленно или быстро они отдаляются друг от друга.

Дальнейшая эволюция поверхностей с мозаичным распределением заряда не отличается от обычных наэлектризованных материалов. Они начинают разряжаться, постепенно сглаживая разницу в величине заряда между соседними наноскопическими областями (рис. 3).

Рис. 3. Эволюция распределения потенциала поверхности полимера полидиметилсилоксана (PDMS) до начала электризации (слева вверху), через 3000 (справа вверху), 5000 (слева внизу) и 8000 (справа внизу) секунд после электризации. Изображения получены методом зонда Кельвина. Из обсуждаемой статьи в Science

Не ограничившись сводкой результатов проведенного эксперимента, ученые в своей статье попытались выяснить, какие механизмы заставляют поверхность полимерного диэлектрика покрываться противоположно заряженными наноостровками. Применив рамановскую и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, авторы пришли к выводу, что возникновение зарядовой мозаики представляет собой сложный процесс, который, по всей видимости, включает в себя разрушение химических связей между наноскопическими областями с разным знаком заряда, изменения химического состава поверхности и переход вещества от одного контактирующего тела к другому.

Само собой, этот вывод рождает новые вопросы: какие конкретно типы химической связи разрушаются в ходе электризации и как это отражается на распределении элементов мозаики? если происходит передача вещества от одной поверхности к другой, то может ли этот явление задавать размер мозаичного фрагмента? По мнению авторов, ответ на эти вопросы можно получить, если улучшить используемые экспериментальные методики, что, в свою очередь, позволит улучшить детализацию мозаичного распределения на молекулярном уровне, дав новую пищу для размышлений над этим явлением.

Источник: H. T. Baytekin, A. Z. Patashinski, M. Branicki, B. Baytekin, S. Soh, B. A. Grzybowski. The Mosaic of Surface Charge in Contact Electrification // Science. 2011. V. 333. P. 308.