Yüzyıllar boyunca bilimciler statik elektrik olarak da bilinen "triboelektrik yüklenme"yi (sürtünme yoluyla elektriklenme) anlamaya çalıştılar. Triboelektrik yüklenme, fotokopi makinesindeki veya lazer yazıcıdaki mürekkebin kağıda yapışmasını sağlar ve muhtemelen uzaydaki tozdan gezegenlerin oluşumunu sağlamış ve dünya üzerindeki yaşamın da filizlenmesinde rol oynamıştır. Fakat yükler aynı zamanda yıkıcı da olabilir. Kömür madenlerinde kömür tozunun ya da gıda işleme merkezlerinde şeker veya un tozlarının tutuşması ölümcül patlamalara neden olabilir.

Case Western Reserve Üniversitesi’nin önderlik ettiği yeni bir çalışma, malzeme içerisindeki minik boşlukların veya çatlakların (mikro yapı içerisindeki değişimler), malzemenin sürtünme yoluyla nasıl elektrik yüklendiğini kontrol edebileceğine işaret ediyor. Araştırmacılar, ayrıntıları Physical Review Materials dergisinde yayımlanan bu çalışmanın, elektrik yüklenmesini anlamada, özel kullanımlar için yüklemeyi yönetmede ve güvenlik koşullarını arttırmada bizi bir adım ileri taşıyacağını belirtiyor.

Statik elektriklenme her yerde görülebilir. Fakat malzemenin daha fazla yüklendiği bazı durumlar da var; örneğin saçınıza sürtülen bir balon gibi veya bir fıstık paketinin kolunuzu uzattığınızda kolunuza yapışması gibi. Buradaki temel fikir, malzemeler üzerindeki gerilmenin, malzemeyi elektriklenmeye daha eğilimli hale getirmesi. Geniş bir polistiren üretmek için polistirene rüzgar üfledikten sonra, bu belirgin yüklenme davranışı süresiz hale geldi.

Fikri test etmek

Bilimciler çok uzun süredir iki malzemeyi birbirine sürtmenin, örneğin balonu saça sürtmek gibi, elektrostatik yüklenmeye neden olduğunu biliyor. Gerilmenin yüklenmeyi etkilediği düşüncesini sınamak için, araştırmacılar politetrafloretilen (PTFE) filmini gerdiler ve gerilmemiş PTFE malzemeye sürttüler.

Triboelektrik yüklenme deneyleri genellikle tutarsız sonuçlar vermesiyle bilinir. Fakat bu deneylerdeki şaşırtıcı şey ise gerilmemiş materyallere karşı gerilmiş materyallerin yüklenme sonuçlarındaki tutarlılık oldu. Araştırmacılar tekrar tekrar bir doğrultuda sistematik yük aktarımı gözlemlediler, sanki malzemeler iki farklı kimyasal bileşimlerden meydana gelmişler gibi.

Sürtünmenin ardından, gerilmemiş filmler negatif yük taşımaya eğilimli hale gelirken, gerilmiş film pozitif yük taşımaya eğilimli hale geldi. Bulgular her defasında tutarlı değildi fakat istatistiksel açıdan anlamlıydı. Tam tersine, gerilmemiş filmlerin veya gerilmiş filmlerin birbirlerine sürtünmeleri rastgele yüklenme davranışı gösterdi.

Sonuçları analiz etmek

Türkiye’deki Bilkent Üniversitesi’nde çalışan araştırmacılar, gerilmiş ve gerilmemiş filmleri analiz etmek için X-ışını kırılması ve Raman spektroskopisi kullandılar ve atom seviyesinde, neredeyse aynı göründüklerini buldular.

Aralarındaki fark edilebilir tek fark, mikro yapıyı değiştiren, malzeme içerisindeki boşluklardı (gerilme sonucu oluşan oyuklar ve çatlaklar). Bazı oyuklar ve çatlaklar çıplak gözle fark edilebilirken, diğerleri o kadar küçüktü ki, elektron mikroskobu taraması yardımıyla gözlemlenebildiler.

Araştırmacılar bilgisayar üzerinde, gerilmiş malzemenin moleküler bir simülasyonunu çalıştırdılar. Bu simülasyon, boşlukların meydana gelişi dışında kayda değer hiçbir şey göstermedi. Bu da, mikro yapıdaki değişimin büyük ihtimalle sistematik yük aktarımının nedeni olduğuna işaret ediyor.

Çalışma tek bir malzemeye odaklanmış olsa da, gerilme tüm malzemeleri etkiliyor olmalı. PTFE üzerinde uygulanan gerilim büyüktü, çünkü araştırmacılar büyük etkiler gözlemleme peşindeydi.

Sonraki adımlar

Araştırmacılar polistiren plastik torbalar gibi polimerler kadar, tanecikli malzemeler üzerine de odaklanmayı düşünüyor. Triboelektrik yüklenmenin bilimsel temelini anlamayı ve süreci kontrol etmeyi umuyorlar. Amaçları, hasarı ve patlamaları önlemek ve elektriklenme olgusundan, kullanışlı amaçlar için faydalanmak; örneğin bitkilere daha iyi yapışan yüklenmiş tarımsal ilaçlar veya araba boyaları gibi. Daha iyi yapışma harcanan ve ziyan olan miktarı azaltabilir.

Gündelik kullanımların ötesinde, bu uygulamalar ve azaltma stratejileri gelecek yıllarda Ay’a, Mars’a ve gezegenciklere insanlı veya insansız uçuş görevlerinde daha geçerli olacak.

---

Kaynak: Why does rubbing a balloon on your hair make it stick?
< https://phys.org/news/2017-08-balloon-hair.html >


Referans: Dependence of triboelectric charging behavior on material microstructure
< https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.1.035605 > DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.1.035605

---