Des scientifiques résolvent un mystère de physique vieux de 80 ans

L’étude a montré que la charge de mosaïque est un résultat direct de la planification environnementale et du développement durable.

L’électrification par contact (EC) était la première et la seule source d’électricité de l’humanité jusqu’au XVIIIe siècle environ, mais sa véritable nature reste un mystère. Aujourd’hui, il est considéré comme un composant essentiel de technologies telles que les imprimantes laser, les processus de production LCD, les revêtements électrostatiques, la séparation des plastiques pour le recyclage, etc., ainsi qu’un risque industriel important (dommages aux systèmes électroniques, explosions dans les mines de charbon, incendies dans les usines chimiques) en raison des décharges électrostatiques (ESD) qui accompagnent le CE. Une étude de 2008 a été publiée dans tempérer la nature J’ai trouvé que dans le vide, les décharges électrostatiques d’un simple ruban adhésif sont si fortes qu’elles génèrent suffisamment de rayons X pour prendre une image radiographique d’un doigt.

Pendant longtemps, on a cru que deux matériaux de contact/glissière se chargeaient dans des directions opposées et uniformes. Cependant, après CE, il a été découvert que les deux surfaces séparées portent à la fois des charges (+) et (-). La formation de la soi-disant mosaïque de charge a été attribuée à l’expérience de l’incapacité à produire, à l’hétérogénéité inhérente des matériaux en contact ou à la «nature aléatoire» générale de l’EC.

Professeur Bartosz A.  Grzybowski

Professeur Bartosz A. Grzybowski. Crédit : UNIST

Une équipe de recherche, dirigée par le professeur Bartosz A. Grzybowski (Département de chimie) du Centre des matériaux mous et vivants, au sein de l’Institut des sciences fondamentales (IBS) à Institut national des sciences et technologies d’Ulsan (UNIST) Il a enquêté sur les sources possibles d’expédition de mosaïques pendant plus d’une décennie. L’étude devrait aider à contrôler les décharges électrostatiques potentiellement nocives et a été récemment publiée dans la revue

“In our 2011 Science paper, we showed sub-micrometer-scale charge non-uniformity of unknown origin. At that time, our hypothesis was to attribute these (+/-) mosaics to the transfer of microscopic patches of materials between the surfaces being separated. However, over many years of work on the problem, this and related models were simply not holding up, as it was gradually becoming unclear to us (and many other colleagues with whom we discussed) how these microscopic patches can explain even millimeter-scale regions of opposite polarity coexisting on the same surface. Nonetheless, we and the community had no better answer why the (+/-) mosaics are seen at all and over so many length scales,” says Professor Grzybowski.

Charge Mosaics on Contact Charged Dielectrics

Figure 1. Charge mosaics on contact-charged dielectrics. (a) In a conventional view, two electrically neutral materials (grey) are brought into contact and then separated charge uniformly (lower left), one positive (red) and one negative (blue). In an alternative scenario (lower right), each surface develops a highly non-uniform ‘charge mosaic’ with neighboring domains of opposite charge polarities. (b) Collage of charge mosaics reported in the literature (the years and scale bars are indicated). Credit: UNIST

In the paper published recently in Nature Physics, the group of Professor Grzybowski shows that charge mosaics are a direct consequence of ESD. The experiments demonstrate that between delaminating materials the sequences of “sparks” are created and they are responsible for forming the (+/-) charge distributions that are symmetrical on both materials.

“You might think that a discharge can only bring charges to zero, but it actually can locally invert them. It is connected with the fact that it is much easier to ignite the ‘spark’ than to extinguish it,” says Dr. Yaroslav Sobolev, the lead author of the paper. “Even when the charges are reduced to zero, the spark keeps going powered by the field of adjacent regions untouched by this spark.”

The proposed theory explains why charge mosaics were seen on many different materials, including sheets of paper, rubbing balloons, steel balls rolling on Teflon surfaces, or polymers detached from the same or other polymers. It also hints at the origin of the crackling noise when you peel off a sticky tape – it might be a manifestation of the plasma discharges plucking the tape like a guitar string. Presented research should help control the potentially harmful electrostatic discharges and bring us closer to a true understanding of the nature of contact electrification, noted the research team.

References: “Charge mosaics on contact-electrified dielectrics result from polarity-inverting discharges” by Yaroslav I. Sobolev, Witold Adamkiewicz, Marta Siek and Bartosz A. Grzybowski, 8 September 2022, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01714-9

“Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick-slip friction in peeling tape” by Carlos G. Camara, Juan V. Escobar, Jonathan R. Hird and Seth J. Putterman, 23 October 2008, Nature
DOI: 10.1038/nature07378

“The mosaic of surface charge in contact electrification” by H. T. Baytekin, A. Z. Patashinski, M. Branicki, B. Baytekin, S. Soh and B. A. Grzybowski, 23 June 2011, Science.
DOI: 10.1126/science.1201512

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