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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.
La mayoría de la gente ha sacado grumos de una batidora de proteínas, o ha perseguido un coágulo flotante en un vaso de leche con chocolate. La electricidad estática es uno de los posibles culpables. Un equipo de la Universidad RMIT y de la Universidad Técnica de Riga, en Letonia, ha demostrado ahora en laboratorio que la estática que queda en una superficie puede controlarse. Su estudio, publicado en Nature Communications, comprobó que aplicar un campo eléctrico mientras dos superficies se tocan y luego se separan determina cuánta carga permanece, si esa carga es positiva o negativa, o si desaparece por completo.
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.
La estática suele ser algo que las fábricas combaten. La industria recurre a menudo a costosos aditivos conductores como solución universal, y el coste de las descargas electrostáticas es de unos 5.000 millones de dólares estadounidenses solo en la industria electrónica. El enfoque del equipo funciona de otra manera: ajusta la carga en lugar de suprimirla en todas partes. En los experimentos, películas de poliestireno, un plástico, se presionaron entre sí y se separaron 500 veces mientras se aplicaban campos externos. Los campos más intensos dejaban más carga, y al invertir el campo se invertía la carga. El mismo comportamiento apareció en todos los plásticos analizados.
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.
El trabajo también aborda una vieja cuestión: ¿qué hace que la carga se separe cuando dos materiales se tocan y luego se separan? Las simulaciones por ordenador mostraron que los campos aplicados por el equipo tenían una intensidad similar a la que se generan de forma natural cuando las superficies rugosas de plástico se presionan entre sí. Eso respalda la idea de que diminutos campos eléctricos internos ayudan a impulsar la separación de cargas en la electricidad estática cotidiana.
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.
Los autores citan como posibles usos las superficies antiestáticas para la fabricación y el procesado electrónico, el control de dónde se adhieren las partículas o los plásticos cargados, sensores más inteligentes y filtros inteligentes de aire y gases. En un ejemplo, una cinta transportadora que clasifica semillas podría ajustar su campo eléctrico a cada especie, de modo que ninguna semilla reciba una descarga. El equipo prevé ensayar el método con polvos reales y estudiar superficies programables a escalas mucho más pequeñas. Su solicitud de financiación actual, presentada con socios industriales, se centra en los combustibles, donde eliminar los aditivos antiestáticos ajustando las superficies con las que entran en contacto podría hacer que el combustible fuera más eficiente energéticamente. El equipo no ha anunciado ningún calendario para ninguno de estos usos. Sherrell afirma que el siguiente paso es averiguar qué intensidad debe tener el campo, cuánto tiempo aplicarlo a cada polvo y en qué punto del proceso funciona mejor.
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.
Las limitaciones están claras. No se analizaron polvos alimentarios como la proteína, los aditivos para bebidas de malta ni el café; el equipo utilizó plásticos y afirma que sus resultados indican cómo podría aplicarse el método a los alimentos. La carga se fijó aplicando un campo durante el contacto y se midió después. Cambiar la carga en tiempo real, como exigiría una cinta transportadora, no se ha demostrado. Las simulaciones emplean un modelo simplificado, y el método no se ha probado en equipos industriales.