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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 plupart des gens ont déjà détaché des grumeaux du fond d’un shaker à protéines, ou pourchassé un amas flottant dans un bol de lait au chocolat. L’électricité statique est l’un des coupables probables. Une équipe du RMIT University et de l’Université technique de Riga, en Lettonie, vient de montrer en laboratoire que la charge statique restant sur une surface peut être contrôlée. Leur étude, publiée dans Nature Communications, établit qu’appliquer un champ électrique pendant que deux surfaces se touchent puis se séparent détermine la quantité de charge qui reste, si cette charge est positive ou négative, ou si elle est entièrement supprimée.
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.
L’électricité statique est généralement un problème que les industriels combattent. L’industrie ajoute souvent des additifs conducteurs coûteux, présentés comme une solution universelle, et le coût des décharges statiques atteint environ 5 milliards de dollars américains rien que dans l’industrie électronique. L’approche de l’équipe fonctionne différemment : elle ajuste la charge plutôt que de la supprimer partout. Dans les expériences, des films de polystyrène, un plastique, ont été pressés l’un contre l’autre puis séparés 500 fois pendant l’application de champs externes. Des champs plus forts laissaient davantage de charge, et inverser le champ inversait la charge. Le même comportement est apparu pour tous les plastiques testés.
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.
Ce travail touche aussi à une vieille question : qu’est-ce qui sépare les charges lorsque deux matériaux se touchent puis se séparent ? Des simulations numériques ont montré que les champs appliqués par l’équipe avaient une intensité comparable à ceux créés naturellement lorsque des surfaces plastiques rugueuses se pressent l’une contre l’autre. Cela appuie l’idée que de minuscules champs électriques intégrés contribuent à la séparation des charges dans l’électricité statique du quotidien.
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.
Les auteurs citent parmi les usages possibles les surfaces antistatiques pour la fabrication et la transformation électronique, le contrôle de l’endroit où les particules chargées ou les plastiques adhèrent, des capteurs plus intelligents et des filtres intelligents pour l’air et les gaz. Dans un exemple, un tapis roulant trieur de graines pourrait voir son champ électrique réglé pour chaque espèce, afin qu’aucune graine ne reçoive de décharge. L’équipe prévoit de tester l’approche sur de vraies poudres et d’étudier des surfaces programmables à des échelles bien plus petites. Sa demande de financement en cours, avec des partenaires industriels, vise les carburants : supprimer les additifs antistatiques en ajustant les surfaces qu’ils touchent pourrait rendre le carburant plus économe en énergie. L’équipe n’a annoncé aucun calendrier pour l’un de ces usages. Peter Sherrell affirme que la prochaine étape consiste à déterminer quelle intensité le champ doit avoir, combien de temps l’appliquer à chaque poudre, et à quel endroit du procédé il fonctionne le mieux.
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.
Les limites sont claires. Les poudres alimentaires comme les protéines, les additifs pour boissons au malt et le café n’ont pas été testés ; l’équipe a utilisé des plastiques et affirme que ses résultats indiquent comment l’approche pourrait s’appliquer à l’alimentaire. La charge a été réglée en appliquant un champ pendant le contact, puis mesurée après. Modifier la charge en direct, comme l’exigerait un tapis roulant, n’a pas été démontré. Les simulations reposent sur un modèle simplifié, et l’approche n’a pas été testée sur des équipements industriels.