Giải được bí ẩn vì sao ma sát gây ra tĩnh điện

Đa số mọi người đều từng trải nghiệm cảm giác tóc dựng đứng sau khi cọ xát bong bóng lên đầu mình hay tia lửa xoẹt xoẹt khi kéo lê đôi chân mang tất trên nền thảm khô. Mặc dù những trải nghiệm này là phổ biến, thế nhưng hơn 2.500 năm qua các nhà khoa học vẫn còn thiếu sự hiểu biết tường tận về cách hiện tượng này xảy ra.

Một đội nghiên cứu tại Đại học Northwestern vừa phát triển một mô hình mới cho thấy việc cọ xát hai vật vào nhau gây ra tĩnh điện, hay điện ma sát, là do sự uốn cong của những chỗ lồi ra li ti trên bề mặt vật liệu.

Hiểu biết mới này có thể liên quan mật thiết đến những ứng dụng tĩnh điện hiện có, ví dụ như khai thác năng lượng và in ấn, đồng thời tránh các hiểm họa tiềm tàng, ví dụ như lửa phát sinh bởi các tia lửa do tĩnh điện.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, số ngày 12 tháng Chín. Laurence Marks, giáo sư khoa học và kĩ thuật vật liệu tại Khoa Kĩ thuật McCormick thuộc Northwestern, đứng đầu nghiên cứu trên. Christopher Mizzi và Alex Lin, các nghiên cứu sinh tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Marks, là đồng tác giả đứng tên đầu của bài báo.

Triết gia Hi Lạp Thales xứ Miletus lần đầu tiên tường thuật về sự nhiễm điện do ma sát vào năm 600 trước Công nguyên. Sau khi cọ xát hổ phách với lông thú, ông để ý thấy lông thú hút được bụi.

“Kể từ đó, người ta biết rõ rằng việc cọ xát gây ra nhiễm điện ở tất cả các vật cách điện – chứ không riêng gì lông thú,” Marks nói. “Tuy nhiên, đây là hiện tượng ít nhiều chưa có sự đồng thuận khoa học về nguyên nhân.”

Ở cấp độ nano, mọi vật liệu đều có bề mặt gồ ghề với vô số những chỗ lồi ra li ti. Khi hai vật liệu tiếp xúc và cọ lên nhau, những chỗ lồi ra này uốn cong và biến dạng.

Đội của Marks tìm thấy rằng các biến dạng này gây ra các điện áp cuối cùng dẫn tới sự tích điện. Hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng uốn điện”, nó xảy ra khi có sự chia tách điện tích ở một vật cách điện do các biến dạng như sự uốn cong gây ra.

Sử dụng một mô hình đơn giản, đội Northwestern chứng minh được rằng điện áp phát sinh từ những chỗ lồi uốn cong trong lúc cọ xát thật sự đủ lớn để gây ra nhiễm điện. Công trình này giải thích được một số quan sát thực nghiệm, ví dụ như vì sao có sự nhiễm điện ngay cả khi cọ xát hai vật liệu cùng bản chất với nhau và dự đoán điện tích đo được trên thực nghiệm với độ chuẩn xác đáng kể.

“Kết quả của chúng tôi đề xuất rằng điện ma sát, điện uốn và sự ma sát có liên hệ mật thiết với nhau,” Marks nói. “Công trình này giúp hiểu rõ hơn để kiểm soát biểu hiện điện ma sát cho các ứng dụng hiện nay và mở rộng chức năng cho những công nghệ mới.”

“Đây là một ví dụ tuyệt vời về cách nghiên cứu cơ bản có thể giải thích mọi hiện tượng vốn không được hiểu rõ trước đây, và về cách nghiên cứu trong một lĩnh vực – trong trường hợp này là ma sát và ăn mặc – có thể dẫn tới những tiến bộ bất ngờ trong một lĩnh vực khác,” phát biểu của Andrew Wells, một giám đốc chương trình tại Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), cơ quan tài trợ nghiên cứu trên. “NSF tài trợ cho [những] nghiên cứu kiểu như thế này trong lĩnh vực khoa học và kĩ thuật vật liệu vì kiến thức mới một ngày nào đó có thể mở ra những cơ hội mới.”

Tham khảo: arxiv.org/abs/1904.10383

Nguồn: PhysOrg.com