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Most people have chipped lumps out of a protein shaker, or chased a floating clump around a mug of chocolate milk. Static electricity is one of the likely culprits. A team from RMIT University and Riga Technical University in Latvia has now shown, in the lab, that the static left on a surface can be controlled. Their study, published in Nature Communications, found that applying an electric field while two surfaces touch and then pull apart sets how much charge stays behind, whether that charge is positive or negative, or removes it altogether.
Die meisten Menschen haben schon einmal Klümpchen aus einem Proteinshaker gelöst oder einen schwebenden Klumpen in einer Tasse Schokomilch verfolgt. Statische Elektrizität ist dafür einer der wahrscheinlichen Übeltäter. Ein Team der RMIT University und der Technischen Universität Riga in Lettland hat nun im Labor gezeigt, dass sich die auf einer Oberfläche zurückbleibende statische Ladung kontrollieren lässt. Die in Nature Communications veröffentlichte Studie ergab, dass ein elektrisches Feld, das angelegt wird, während sich zwei Oberflächen berühren und dann voneinander lösen, festlegt, wie viel Ladung zurückbleibt, ob diese Ladung positiv oder negativ ist – oder ob sie ganz entfernt wird.
Static is usually something factories fight. Industry often adds expensive conductive additives as a one-size-fits-all fix, and the cost of static discharge is about US$5 billion in the electronics industry alone. The team's approach works differently: it tunes the charge rather than suppressing it everywhere. In the experiments, polystyrene films, a plastic, were pressed together and pulled apart 500 times while external fields were applied. Stronger fields left more charge, and reversing the field reversed the charge. The same behavior appeared in all the plastics tested.
Statische Aufladung ist in der Industrie meist ein Problem, gegen das man vorgeht. Die Branche setzt oft teure leitfähige Zusätze als Pauschallösung ein, und allein in der Elektronikindustrie kostet die statische Entladung etwa 5 Milliarden US-Dollar. Der Ansatz des Teams funktioniert anders: Er steuert die Ladung, statt sie überall zu unterdrücken. In den Experimenten wurden Polystyrolfolien, ein Kunststoff, unter Anlegen äußerer Felder 500-mal zusammengepresst und wieder auseinandergezogen. Stärkere Felder hinterließen mehr Ladung, und eine Umkehrung des Felds kehrte auch die Ladung um. Dasselbe Verhalten zeigte sich bei allen getesteten Kunststoffen.
The work also touches an old question: what makes charge separate when two materials touch and pull apart? Computer simulations showed that the fields the team applied were similar in strength to those created naturally when rough plastic surfaces press together. That supports the idea that tiny built-in electric fields help drive the separation of charge in everyday static electricity.
Die Arbeit berührt außerdem eine alte Frage: Was sorgt dafür, dass sich Ladung trennt, wenn zwei Materialien sich berühren und wieder lösen? Computersimulationen zeigten, dass die vom Team angelegten Felder in ihrer Stärke jenen ähneln, die entstehen, wenn raue Kunststoffoberflächen aufeinandergepresst werden. Das stützt die Annahme, dass winzige eingebaute elektrische Felder die Ladungstrennung bei alltäglicher statischer Elektrizität antreiben.
The authors list antistatic surfaces for manufacturing and electronics processing, control over where charged particles or plastics stick, smarter sensors and smart air and gas filters among possible uses. In one example, a conveyor belt sorting seeds could have its electric field adjusted to each species, so no seed gets a shock. The team plans to test the approach on real powders and to study programmable surfaces at much smaller scales. Its current grant application with industry partners targets fuels, where removing antistatic additives by tuning the surfaces they touch could make fuel more energy efficient. The team has announced no timetable for any of these uses. Sherrell says the next step is to find out how strong the field needs to be, how long to apply it to each powder, and where in the process it works best.
Die Autoren nennen als mögliche Anwendungen antistatische Oberflächen für Fertigung und Elektronikverarbeitung, die Kontrolle darüber, wo geladene Partikel oder Kunststoffe haften bleiben, intelligentere Sensoren sowie intelligente Luft- und Gasfilter. Ein Beispiel: Ein Förderband, das Saatgut sortiert, könnte sein elektrisches Feld auf jede Sorte abstimmen, sodass kein Samenkorn einen Schlag bekommt. Das Team plant, den Ansatz an echten Pulvern zu testen und programmierbare Oberflächen in deutlich kleineren Maßstäben zu untersuchen. Sein laufender Förderantrag mit Industriepartnern zielt auf Kraftstoffe: Dort könnte es den Kraftstoff energieeffizienter machen, wenn antistatische Zusätze entfallen, weil die Oberflächen, mit denen er in Berührung kommt, entsprechend abgestimmt werden. Für keine dieser Anwendungen hat das Team einen Zeitplan angekündigt. Sherrell zufolge besteht der nächste Schritt darin herauszufinden, wie stark das Feld sein muss, wie lange es für jedes Pulver angelegt werden sollte und an welcher Stelle im Prozess es am besten wirkt.
The limits are clear. Food powders such as protein, malt drink additives and coffee were not tested; the team used plastics and says its findings indicate how the approach could apply to food. The charge was set by applying a field during contact and measured afterward. Switching the charge live, as a conveyor would require, has not been demonstrated. The simulations use a simplified model, and the approach has not been tested on industrial equipment.
Die Grenzen sind klar. Lebensmittelpulver wie Protein, Zusätze für Malzgetränke und Kaffee wurden nicht getestet; das Team hat Kunststoffe verwendet und erklärt, seine Ergebnisse deuteten darauf hin, wie sich der Ansatz auf Lebensmittel übertragen ließe. Die Ladung wurde durch Anlegen eines Felds während des Kontakts festgelegt und danach gemessen. Das Umschalten der Ladung im laufenden Betrieb, wie es ein Förderband erfordern würde, ist nicht nachgewiesen. Die Simulationen beruhen auf einem vereinfachten Modell, und der Ansatz wurde nicht an industriellen Anlagen getestet.