もしあなたがウールの靴下を履いてカーペットの上を歩いたら、隣のドアノブに触れて火花が出て驚く可能性がかなり高いでしょう。 静電気はあまりにも一般的なので、それがどれほど奇妙なものであるかを忘れがちです。
しかし、その火花に遭遇したとき、実際には何が起こっているのでしょうか。
古代ギリシャの哲学者であり数学者であるミレトスのタレスが、紀元前6世紀に初めて静電気を説明しましたが、科学者はこの基本的な疑問に答えるために何十年も苦心しています。 しかし、ナノスケールで研究している研究者たちは、2つの表面をこすり合わせるとなぜ衝撃が発生するのかを理解するために、大きな前進を遂げました。 なぜ一部の果物や野菜は電気を通すのか」
どんなに表面が滑らかに見えても、十分に近づいてみると、凸凹があることに気づきます。 このような凹凸を「アスペリティ（asperity）」と呼びます。 風船からウールや髪の毛のような繊維まで、あらゆる表面には微細な凹凸があります。 イリノイ州エバンストンにあるノースウェスタン大学の材料科学・工学の博士課程に在籍するクリストファー・ミジは、「これらの特徴は、静電気を発生させる役割を担っています」と語っている。
9月にPhysical Review Letters誌に発表された研究で、Mizzi氏と彼の共同執筆者たちは、日常的な物体の目に見えない不完全さを地球の表面と比較しました。 地球を遠くから見ると、この惑星は「完全な球体のように非常に滑らかに見えます」と Mizzi 氏は言います。 しかし、実際には地球は滑らかとは程遠いことが分かっています。しかし、それはよく見ないと分からないのです。 山や丘があることに気づくのは、十分に拡大したときだけです」。 同様に、身近な物も近くで見るまでは滑らかに見えます。
2つの物体の表面がこすれ合うと、その先端がこすれ合って摩擦が発生します。 この摩擦が静電気に関係することは、昔から知られていました。 (実際、静電気の科学用語である摩擦電気は、摩擦の研究であるトライボロジーと語源を同じくします）
今回の研究で、Mizzi氏と彼の共同研究者たちは、摩擦を引き起こすアスペリティが、電荷に衝撃的な差をもたらすことも示したのです。 電話や照明など、ほとんどすべての電子機器に電力を供給する日常的な電気である電流では、電子は銅線のような導電性物質中の原子を横切って流れ、電流を発生させます。 しかし、絶縁体の原子は電子の行き来を容易にせず、電子の流れを阻害することでその名を知られています。
ミッツィ教授らは、絶縁体の凹凸が互いにこすれ合って電子雲に干渉し、静電気が発生することを発見しました。 絶縁体中の電子は簡単に動き回れないので、その摩擦によって電子の雲が曲がってしまうのです。
これらの材料では、原子のまわりの電子の雲は通常、対称的です。 Mizzi氏は、これらの電子雲を見ると、「上下左右の区別がつかない」と述べています。
しかし、電子雲を圧迫すると、それは変形し、非対称になります。 適切な状況下では、この新しい形状が、材料全体に電圧を不均等に分配することができると、Mizzi氏は説明する。
このことと、カーペットに敷いたウールの靴下とはどのような関係があるのでしょうか。 このような靴を履いて歩くと、体重と歩行の組み合わせにより、靴下の繊維がカーペットの繊維と滑るようになります。 このように2つの素材が擦れ合うと、一方の表面の凹凸が他方の表面の凹凸を引きずり、曲げられる。 このとき、アスペリティを構成する原子の電子雲が非対称な形につぶされ、ごくわずかな電圧の違いが生じます。
電圧の変化はわずかなものですが、これが積み重なると、大きな静電気を発生させるのです。
この新たに発見された静電気の理解は、摩擦によって発生する電力をウェアラブル機器の充電に利用する布地を開発する科学者に影響を与え、製品をより効率的にする可能性があります。 また、どの材料が静電気を発生しにくいかをよりよく理解することで、たとえば、互いにこすれて火事になるようなほこりをなくすなど、より安全な製造環境の実現に取り組むことができるようになるのです。
「モデルがあれば、予測を立てることができます」とMizzi氏は述べています。
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原文は Live Science に掲載。
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