Da vam se digne kosa na glavi: Zašto statički elektricitet i dalje zbunjuje naučnike

Fizičar Galijen Grožan je bio zadužen da brine o sićušnim staklenim perlama. Prao ih je, nežno ih hvatao pincetom i delikatno smeštao u svoj eksperimentalni aparat. Po svaku cenu je izbegavao nepotrebno pomeranje, jer je znao da i najmanja nepažnja može promeniti svojstva perli na nepoznate načine.

Što je još gore, gubitak samo jedne značio bi nedelju dana uzaludnog rada. „Prilično sam nespretan, tako da sam morao da dodatno da se napregnem", priznaje Grožan, nekada istraživač na Institutu za nauku i tehnologiju u Klosternojburgu u Austriji.

U svom eksperimentu, koristio je akustične sile ultrazvučnih talasa da bi kuglica levitirala, izbegavajući tako direktan kontakt. Zatim bi isključio ultrazvuk, puštajući je da padne i sudari se sa pločom ispod. Dok bi se odbijala nagore, ultrazvuk bi je ponovo uhvatio, u neku vrstu zamke bez dodirivanja.

Grožan proučava statički elektricitet, a njegova opsesivna preciznost može delovati preterano za fenomen odgovoran za svakodnevne pojave poput naelektrisanih balona i odeće koja se lepi za telo. Ali osnove statičkog elektriciteta su frustrirajuće neuhvatljive.

Iako ga naučnici proučavaju vekovima, još uvek ne znaju šta se tačno dešava kada jedan objekat prenese svoj električni naboj na drugi. „U većini situacija zaista nemamo pojma koji je mehanizam u pitanju", kaže Grožan, sada profesor na Autonomnom univerzitetu u Barseloni.

Značaj na velikoj i maloj skali

Statički elektricitet oblikuje naš svet, od najmanjih do najvećih razmera. Smatra se da objašnjava kako su planete, uključujući i Zemlju, nastale sudaranjem čestica prašine.

On stvara munje, pojačava peščane oluje i pomaže polenu da se zalepi za oprašivače. Sa druge strane, može izazvati industrijske požare, ometati proizvodnju lekova, uništiti osetljiva elektronska kola i ugroziti naučne eksperimente i istraživanje svemira.

Uprkos svemu, osnovno razumevanje i dalje nedostaje, kaže hemičarka Bilge Bajtekin sa Univerziteta Bilkent u Ankari. „Osećate se kao dete čak i nakon mnogo, mnogo godina rada."

Bajtekin i Grožan se nadaju da će se to uskoro promeniti. Oni su deo male, pomalo neobične grupe naučnika koji udružuju svoja znanja kako bi rešili misterioznu slagalicu statičkog elektriciteta.

Čini se kao da svaki naučnik drugačiji vidi deo te slagalice. „Fizičari imaju svoje razumevanje statičkog elektriciteta, hemičari takođe imaju naše razumevanje, dok inženjeri gledaju iz drugačije perspektive", objašnjava prof. Bajtekin.

U pokušaju da spoje delove, ova grupa se u junu okupila na Floridi, na sastanku Američkog društva za elektrostatiku. Tamo su nove tehnike, poput Grožanove akustične levitacije, oživele interesovanje za osnove statičkog elektriciteta.

Zalepljeni za osnove

Uprkos svim pitanjima, naučnici se slažu oko nekih osnova. Kad god se dva predmeta dodirnu ili trljaju, oni razmenjuju naboj. Taj proces, nazvan triboelektrični efekat, dovodi do statičkog elektriciteta.

Subatomske čestice iza ovog procesa su elektroni, koji su negativno naelektrisani, i protoni, koji su pozitivno naelektrisani. Predmeti sa jednakim brojem elektrona i protona nemaju neto naboj. Ali čim se predmeti dodirnu, ravnoteža se pomera.

Ako ste ikada protrljali balon o kosu, primetili ste da se vlasi podižu. To je zato što trljanje daje balonu negativan naboj, a vašoj kosi pozitivan. Pošto se istoimeni naboji odbijaju, pramenovi kose se međusobno udaljavaju.

Ipak, ako se zadubi dublje u ove primere, stvari brzo postaju nejasne. Kada se naboj razmenjuje, na primer, nije jasno šta se tačno prenosi. Možda pojedinačni elektroni prelaze sa jednog objekta na drugi, a možda su u pitanju joni – naelektrisani atomi ili molekuli – ili čak veći komadi naelektrisanog materijala.

Još veći problem je što ne postoji dublje razumevanje iza triboelektričnog niza, rang liste koja predviđa koji će materijal postati negativno naelektrisan. Niko ne zna koja svojstva materijala ga čine sklonijim negativnom ili pozitivnom naelektrisanju. Niz takođe ne objašnjava zašto se identični predmeti mogu naelektrisati dodirom.

Od ćilibara do Artemisa

Proučavanje statičkog elektriciteta staro je gotovo kao i sama nauka. Još oko 360. godine pre nove ere, filozof Platon pisao je o „čudima" ćilibara, koji privlači druge predmete kada se protrlja.

Zapravo, reč „elektricitet" potiče od grčke reči za ćilibar – ēlektron. Vekovima kasnije, Bendžamin Frenklin je svojim čuvenim eksperimentom sa zmajem dokazao da je munja električni fenomen, sličan statičkom elektricitetu koji je posmatrao u laboratoriji.

Danas mnogi naučnici smatraju statički elektricitet smetnjom koju treba eliminisati, a ne fenomenom vrednim proučavanja. On izaziva požare, uništava osetljivu opremu i ometa eksperimente.

Njegov uticaj seže i u svemir, gde nedostatak vlage i slaba gravitacija čine električne sile izraženijim. „Sile koje nisu važne na Zemlji počinju da postaju važne", kaže planetarna naučnica Kristin Harcel sa Univerziteta Merilend.

Točkovi lunarnog rovera ili solarni paneli mogli bi se brzo prekriti lepljivom, naelektrisanom prašinom. Zbog toga je statički elektricitet jedan od glavnih problema za buduće Nasine misije „Artemis" na Mesecu.

Moć nevidljive prljavštine

U međuvremenu, naučnici napreduju sa novim eksperimentima koristeći sve sofisticiranije tehnike. Akustična levitacija, na primer, sprečava nenamerno naelektrisanje koje može nastati samim rukovanjem predmetima.

Koristeći tu tehniku, Grožan, Skot Vajtukajtis i njihove kolege fokusirali su se na jedno pitanje: zašto se dva identična materijala naelektrišu kada se dodirnu? Merili su kako se staklene perle pune kada udare u ploču od istog materijala. Otkrili su nešto neočekivano.

Svaka pojedinačna kuglica se punila dosledno, ali je postojala dramatična razlika među njima – jedna bi se uvek punila negativno, a druga pozitivno.

Rezultati su se promenili kada su istraživači očistili perle zagrevanjem na 200 stepeni Celzijusa. Očišćena perla bi se skoro uvek punila negativno kada bi udarila u neočišćenu ploču. Detaljna analiza je otkrila da je proces čišćenja uklonio jedinjenja ugljenika koja su sveprisutna u Zemljinoj atmosferi i nevidljivo zalepljena za površinu većine predmeta.

Tu materiju su nazvali „šmuc" (od nemačke reči 'schmutz' za prljavštinu). Eksperiment nije pokazao kako se naboj kreće, ali je otkrio da je ono što se nalazi na površini od presudne važnosti. Ta ideja počinje da se širi.

Ove složenosti su možda doprinele konfuziji u prošlosti. Ranije su naizgled slični eksperimenti davali kontradiktorne rezultate, dajući ovoj oblasti „veoma lošu reputaciju", kaže tehnolog Lorens Marks sa Univerziteta Nortvestern. Ali noviji radovi pokazuju da, kada se uslovi strogo kontrolišu i relevantni faktori identifikuju, rezultati mogu biti ponovljivi.

Privlačnost tog izazova okupila je grupu naučnika strastvenih u rešavanju misterija statičkog elektriciteta. Čini se da je prikladno što je statički elektricitet naučno „lepljiva" tema. Ali i dalje postoje prilike da se odlepimo.

To će verovatno zahtevati ne neki genijalni uvid, već spor, metodičan rad – sličan fokusu potrebnom da se delovi slagalice postave na svoje mesto, jedan po jedan. „Zaista je reč o sintezi", kaže prof. Marks. „Znamo sve delove slagalice, samo ih treba složiti ispravnim redosledom."