La carica elettrica dipende dalla storia dei contatti
Un palloncino strofinato sui capelli si carica negativamente, ma il meccanismo esatto dietro questo fenomeno rimane ancora in gran parte sconosciuto. Un nuovo studio, pubblicato il 20 Febbraio su Nature, ha rivelato che la carica elettrica acquisita da un materiale può dipendere dal suo passato. La frequenza con cui un oggetto è stato in precedenza a contatto con un altro influisce sulla sua futura carica elettrica, determinando se diventerà positivo o negativo quando viene toccato nuovamente.
Questa scoperta rappresenta un passo avanti nella comprensione dell’elettricità statica, un fenomeno onnipresente nella vita quotidiana ma ancora pieno di misteri. Dall’origine dei fulmini all’impollinazione delle piante, le interazioni tra superfici cariche hanno un ruolo cruciale in molti processi naturali. Tuttavia, come sottolinea Scott Waitukaitis, fisico dell’Istituto di Scienza e Tecnologia Austria (ISTA) a Klosterneuburg, la scienza è ancora lontana dall’avere una spiegazione chiara: “Siamo assolutamente all’oscuro, come mega-all’oscuro, di ciò che sta realmente accadendo”.
La sfida di comprendere il trasferimento di carica
Nonostante sia un fenomeno studiato da secoli, gli scienziati non sanno ancora con certezza cosa venga trasferito tra due materiali quando si toccano. Potrebbero essere elettroni, ioni o addirittura minuscoli frammenti di materiale. A complicare ulteriormente le cose c’è il problema della riproducibilità: lo stesso esperimento può dare risultati diversi a seconda delle condizioni, rendendo difficile trarre conclusioni definitive.
Per ridurre la complessità, Waitukaitis e il suo team hanno condotto esperimenti utilizzando un unico materiale, un polimero morbido chiamato polidimetilsilossano (PDMS). Hanno analizzato come diversi campioni di PDMS interagissero tra loro, toccandoli ripetutamente e misurando la carica trasferita.
La storia dei contatti influenza la carica elettrica
Inizialmente, gli esperimenti hanno mostrato un trasferimento di carica apparentemente casuale. Tuttavia, con il tempo è emerso un modello preciso. Un campione che era stato toccato ripetutamente con altri tendeva a caricarsi negativamente quando veniva messo in contatto con un nuovo campione.
Inoltre, gli scienziati hanno scoperto che questi campioni formavano una serie triboelettrica, ovvero un ordinamento dei materiali in base alla loro tendenza a guadagnare una carica positiva o negativa. Tradizionalmente, una serie triboelettrica include materiali diversi: ad esempio, un palloncino sfregato sui capelli si carica negativamente, mentre se viene a contatto con il Teflon, può acquisire una carica positiva. Sorprendentemente, anche i diversi campioni dello stesso PDMS hanno formato una propria serie triboelettrica, dimostrando che la storia dei contatti ha un ruolo determinante nella distribuzione delle cariche.
La nanostruttura del materiale influisce sulla carica
Per capire cosa causasse questo effetto, gli scienziati hanno esaminato i campioni di PDMS a livello microscopico. Hanno scoperto che i materiali che erano stati toccati più volte risultavano più lisci su scala nanometrica, con differenze di circa 10 nanometri.
Questa scoperta potrebbe spiegare molte delle discrepanze negli esperimenti precedenti. Daniel Lacks, ingegnere chimico della Case Western Reserve University di Cleveland, sottolinea l’importanza di questo risultato: “Aiuta [noi] a capire la precedente irriproducibilità, nel senso che si hanno questi materiali che si pensa siano tutti uguali ma ci saranno sottili differenze nella nanostruttura”.
L’intuizione che ha portato alla scoperta
L’esperimento che ha portato a questa scoperta è stato il frutto di un mix tra casualità e perseveranza. Juan Carlos Sobarzo, fisico dell’ISTA, racconta che ha ripetuto l’esperimento per giorni, nonostante i risultati iniziali fossero incoerenti. Solo insistendo ha compreso che la ripetizione stessa era il fattore chiave per ottenere la serie triboelettrica. “Se non avessi seguito il mio istinto, avremmo potuto perdere l’importanza della storia dei contatti”, afferma.
Questa nuova prospettiva potrebbe cambiare il modo in cui vengono condotti gli studi sull’elettricità statica, facendo luce su uno dei fenomeni più comuni e al tempo stesso enigmatici della fisica.
