Bu çalışmaların sonuçları, tanecikli maddedeki temas elektrifikasyonunun, bu fenomenle ilgili daha önceki teorilerle çelişen, yüzeye adsorbe edilmiş su moleküllerinden kaynaklandığını göstermektedir.
İki yüzey birbirine temas ettiğinde elektrik yükü alışverişi yapabilir. Efsanelere göre, eski Yunanlılar statik elektriği birkaç nesneyi birbirine sürterek keşfetmişlerdir. Bu temel olgu, insanlığın en eski bilimsel çabalarından bazılarıyla bağlantılıdır. İki nesne birbirine dokunduğunda birkaç farklı fiziksel süreç gerçekleşir. Yine de, yük değişiminin arkasındaki mekanizma olan temas elektrifikasyonu bilim insanlarını uzun süre şaşırtmıştır. Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden Galien Grosjean ve Scott Waitukaitis’in yeni araştırmasına göre artık bu alanda çok ihtiyaç duyulan bir açıklık var. Araştırmacılar, tek bir parçacığı havaya kaldırarak ve bir yüzeyle tekrarlanan temaslardan sonra yükünü ölçerek temas elektrifikasyonu ile parçacık ve yüzey üzerindeki su molekülleri arasında bir bağlantı keşfettiler.
Kum veya un taneleri gibi birkaç yalıtkan parçacık birbirine sürtündüğünde veya birbiriyle çarpıştığında büyük elektrik potansiyelleri oluşabilir. Bu tür potansiyeller, bir kum fırtınası veya volkanik kül patlaması sırasında gözlenen şimşek çakmaları gibi, ciddi yansımaları olabilecek olağanüstü deşarjlarla sonuçlanabilir. Bu tür deşarjlar toz akışlarını bozabilir veya eve daha yakın yanıcı tozları tutuşturabilir. Yine de bu temas elektrifikasyonu gizemle örtülüdür:
Yük, özdeş parçacıklar arasında nasıl aktarılır?
Başka bir deyişle, parçacıklardan biri neden alıcı konumundan yük verici konumuna geçmektedir?
Yük değişimine dahil olan kafa karıştırıcı derecede çok sayıda malzeme değişkeni, temas elektrifikasyonunun anlaşılmasını zorlaştıran bir unsurdur. Parçacıkların boyutu ve pürüzlülüğünün yanı sıra ortam sıcaklığı ve nemi de bu faktörler arasındadır. Teorisyenler bu karmaşıklığa rağmen temasla elektriklenme için modeller oluşturmaya devam etmişlerdir. Bu hipotezlerden bazıları yükü parçacıklar arasındaki elektrostatik dipolar etkileşimlere veya kuantum mekaniksel elektron taşınımına bağlarken, diğerleri yüzey kimyasını işaret etmektedir.
Araştırmacılar, çelişkili hipotezler arasında ayrım yapabilmek için altta yatan mekanizmaları belirleyebilecek deneylere ihtiyaç duyarlar. Bu tür deneyler için standart araç, Faraday kapları olarak bilinen içi boş metal silindirler olmuştur. Parçacıklar kaplarla çarpışıp yüklerini kaba ilettiklerinde, kaplara bağlı bir elektrometre ortaya çıkan akımı tespit edebilir. Oldukça büyük bir tahıl grubunun elektriğini ölçmek için kullanıldığında, cihaz iyi performans gösterir. Bununla birlikte, tek taneli incelemeler için çok ilkel bir ölçüm sunar ve daha da önemlisi, yükün uzaydaki dağılımından ziyade yalnızca tanenin küresel yükü hakkında ayrıntılar sunar. Grosjean ve Waitukaitis tarafından yapılan en son araştırma.
Araştırmacılar çalışmalarında ses levitasyonunu kullandılar. Aşağıdaki stratejiyi kullandılar: Durağan bir akustik dalga üreterek işe başladılar. Daha sonra, bu dalgayı 500 μm çapında tek bir silika taneciğini havaya kaldırmak için kullandılar, böylece aynı malzemeden yapılmış düz bir disk üzerinde yüzdü. Parçacık düşüp diskle çarpıştıktan sonra dalga kısa süreliğine kapatıldığında yeniden yakalandı.
Grosjean ve Waitukaitis, bu süreç boyunca taneciklerden birinde yük oluşumunu izlemek için akustik tuzağa bir elektrik alanı ekleyerek parçacık salınmaya başlayana kadar frekansını ayarladı. Bu dalgalı seyri takip etmek için yüksek hızlı bir kamera kullanıldı. Bu ölçümleri kullanarak, Millikan’ın bir elektronun yükünü ölçmesine benzer bir şekilde, tanenin elektrik yükünü ivmesinden çıkarmayı başardılar. Son olarak, bir fotoiyonlaştırıcı kullanarak sistemi düzenli olarak boşaltarak sıfırladılar, böylece şarj istatistiklerini araştırmalarına ve çevresel etkilerin elektriklenme sürecini nasıl etkilediğini belirlemelerine olanak sağladılar. Deney boyunca ortamın sıcaklığı ve bağıl nemi aynı seviyelerde tutuldu.
Bulgulara göre, tek bir tane üzerindeki yük, çarpışma miktarı arttıkça doğrusal olarak artmaktadır. Bu sistemdeki temas elektrifikasyonu için “yamalı model” teorileri bu bulgu ile göz ardı edilmektedir. Bu tür modellerde, yük verici ve alıcıların yamaları bir malzemenin yüzeyine rastgele dağılır. Eğer silika bu yamalara sahipse, o zaman tane-yüzey çarpışmalarının bazıları donör ve alıcıları, diğerleri alıcı ve donörleri ve yine diğerleri birbirine benzer yamaları içerecektir. Net yük, bir dizi çarpışma boyunca rastgele dalgalanır, yukarı (daha pozitif hale gelir), aşağı (daha negatif hale gelir) hareket eder veya aynı kalırdı. Bunun yerine yük sürekli olarak tek bir yönde artmıştır, bu da işleyen sürecin yerel bir olay değil, daha ziyade tane çapında bir özellik olduğunu göstermektedir.
Grosjean ve Waitukaitis, iki maddeyi dikkatlice temizleyerek, pişirerek ve boşaltarak, tanenin ve yüzeyin yük potansiyellerini tersine çevirebileceklerini de keşfettiler. Örneğin, bir dizi deneyde ortalama yükün işaret değiştirdiğini keşfettiler, bu da tanenin ve yüzeyin bir verici ve bir alıcı olmaktan bir alıcı ve bir verici olmaya dönüştüğünü gösteriyordu. Elektriklenme sürecinin yüzey adsorbatları, büyük olasılıkla da temizleme ve fırınlama sonrası yük değişimi nedeniyle su molekülleri tarafından yönlendirildiği sonucuna vardılar.
Ekip, temas elektriği ile adsorbe edilmiş su arasında bağlantı kuran ilk ekip değil. Ancak Grosjean ve Waitukaitis, tanenin doğal özelliklerine dayalı modelleri dışlayarak, önde gelen seçenek olarak su lehine kanıtlar bütününe katkıda bulunuyor. Ayrıca, deneyleri sistemin hazırlanmasının yük değişimini etkilediğini gösterdiğinden, suyun adsorpsiyon histerezisinin elektriklenme süreci için çok önemli olabileceğini öne sürüyorlar.
Temas elektrifikasyonu konusundaki kafa karışıklığının bir kısmı bu deneyler ve bunların yorumlanmasıyla giderilmiştir. Ancak hala cevaplanmamış pek çok sorun var. Geçmiş deneylerin ve teorik araştırmaların aksine, Grosjean ve Waitukaitis temas elektrifikasyonunda kutuplaşmanın rol oynadığına dair hiçbir kanıt bulamamıştır. Son bulgular daha öncekilerle açıklanabilir mi?
Ekip ayrıca oldukça basit bir madde olan silika üzerinde de çalışıyor. Noktasal elektriklenme modelleri daha karmaşık malzemeler için geçerli olabilir mi? Yükün özelliklerini inceleyen bilim insanları, temas elektrifikasyonunun tanelerin çarpışma kinetik enerjisinin bir gücü olarak ölçeklendiğini keşfettiler. Grosjean ve Waitukaitis kurdukları düzenekle aynı enerji bağımlılığını keşfedebilirler mi?
Eğer temasla elektriklenmenin nedeni su adsorpsiyonu ise, su adsorpsiyonunun seviyesi ile yük transferinin boyutu arasında kesin bir bağlantı bulunabilir mi? Cevaplar ne olursa olsun, devasa, yanan bir volkan yerine atomik olarak ince bir sıvı kaplamanın şimşek yaratmanın anahtarı olabileceği görülüyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/23
