Picăturile care alunecă dezvăluie un mecanism de încărcare electrică dincolo de ionii mobili
Fie că este vorba de o fereastră de la domiciliu sau de curățarea industrială a cipurilor de computer, picăturile care alunecă pe suprafețele solide se încarcă electric. Totuși, mecanismul fizic din spatele acestei încărcări rămâne subiect de dezbatere. În mod obișnuit, această încărcare este atribuită schimbului de particule încărcate, adică ioni, la interfața dintre picătură și suprafață.
Cercetătorii de la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Polimerilor au investigat acum două tipuri diferite de lichide – așa-numitele lichide polare și nepolare – atât în stare lichidă, cât și în stare congelată. Ei au descoperit că în spatele încărcării picăturilor există aparent cel puțin un efect suplimentar. Rezultatele sunt publicate în revista Nature Physics.
Când picăturile alunecă pe suprafețe, ele devin de obicei încărcate pozitiv și lasă în urmă o dâră încărcată negativ pe suprafață. Acest proces este cunoscut sub numele de electrificare prin alunecare. Sarcinile electrice rezultate influențează mișcarea picăturilor pe diverse suprafețe. Pe o fereastră, de exemplu, acest lucru contribuie la faptul că picăturile se pot bloca uneori. În timpul curățării cipurilor de computer în procesele de fabricație industrială, acest lucru poate chiar deteriora componente sensibile. Prin urmare, înțelegerea proceselor fundamentale care contribuie la încărcarea picăturilor prezintă un interes deosebit.
Modelul schimbului de ioni
În prezent, transferul de sarcină este explicat de obicei folosind conceptul de dublu strat electrochimic: când o picătură intră în contact cu o suprafață, ionii încărcați negativ se atașează de obicei spontan de suprafața udată. Aceștia, la rândul lor, atrag contra-sarcini pozitive mobile din lichid, care se află la doar câțiva nanometri de suprafață, în interiorul lichidului. Pe măsură ce picătura alunecă pe suprafață, sarcinile negative rămân pe suprafață, iar picătura devine încărcată pozitiv.
Pentru a investiga mecanismele subiacente, cercetătorii au comparat comportamentul a două tipuri diferite de lichide – polare și nepolare – atât în stare lichidă, cât și în stare congelată. Un exemplu comun de lichid polar este apa, care conduce electricitatea, în timp ce uleiul, ca lichid nepolar, nu conduce curentul electric. Ionii din cele două tipuri se comportă diferit în funcție de lichid și de faza acestuia. În lichidele nepolare, ionii care se mișcă liber nu joacă practic niciun rol în transportul sarcinii. Mobilitatea ionilor este, de asemenea, sever restricționată în lichidele polare congelate.
Lăsând picături din diverse lichide în diferite stări de agregare să alunecă pe suprafețe și măsurând apoi starea de încărcare a picăturilor, cercetătorii au putut investiga rolul real pe care îl joacă ionii mobili în transferul de sarcină.
Dovezi dincolo de ionii mobili
Rezultatul surprinzător: chiar și lichidele nepolare se încarcă atât în faza solidă, cât și în cea lichidă pe măsură ce alunecă pe o suprafață, deși mult mai puțin decât lichidele polare. Având în vedere ipoteza stabilită că lichidele nepolare nu conțin practic ioni care se mișcă liber, trebuie să existe prin urmare o altă formă de transport de sarcină care duce la încărcarea picăturilor.
De ceva timp se discută dacă ar putea avea loc un schimb direct de electroni. „Acest lucru sugerează că înțelegerea noastră anterioară – potrivit căreia transferul de sarcină are loc exclusiv prin ioni – s-ar putea să nu fie în totalitate corectă. Electrificarea prin alunecare ar putea avea loc prin cel puțin două mecanisme, procesul dominant de transfer de sarcină alternând între transferul de ioni și cel de electroni în funcție de electronegativitate, starea de agregare și temperatură”, explică dr. Rutvik Lathia, cercetător la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Polimerilor.
Ipoteza transferului direct de electroni provine în principal din studii privind încărcarea triboelectrică între două solide, care apare, de exemplu, când alunecă gheața. Când două solide se freacă unul de celălalt, norii lor electronici se pot suprapune, permițându-le să schimbe direct un electron. Transferul de sarcină poate rezulta, de asemenea, din tensiuni locale extrem de mari care apar atunci când două solide se freacă unul de celălalt. Totuși, acest efect nu apare când un lichid alunecă pe un solid, motiv pentru care anterior s-a presupus că încărcarea are loc prin schimb de ioni.
Cercetătorii speră acum că noile descoperiri vor susține dezvoltarea de materiale îmbunătățite pentru aplicații precum colectarea de energie triboelectrică, suprafețe anti-gheață sau tehnologii bazate pe picături.
