猫を撫でたり、カーペットの上で足を動かしたりしたことがある人なら、物同士がこすれ合うと静電気が発生することを知っているだろう。しかし、この現象は2000年以上もの間、研究者の間で説明がつかなかった。
現在、ノースウェスタン大学の科学者たちは、その仕組みをついに解明した。
研究者らは、物体が滑るとき、その物体の前部と後部には異なる力がかかることを発見した。この力の差により、物体の前部と後部には異なる電荷が蓄積される。そして、電荷の差によって電流が生じ、光電効果が生じる。
この研究は昨日（9月17日）のジャーナルに掲載された。 ナノ文字。
「これまで誰も説明できなかった謎、つまり摩擦がなぜ重要なのかを初めて説明できるようになった」と、この研究を率いたノースウェスタン大学のローレンス・マークス氏は語る。「これまでも説明しようと試みてきたが、根拠のない、あるいは正当化できない仮定を置かなければ、実験結果を説明することはできなかった。今ならできるし、答えは驚くほど単純だ。単に、滑っているものの前面と背面で変形が異なり、したがって電荷が異なるだけで、電流が生じるのだ」
表面構造の専門家であるマークス氏は、ノースウェスタン大学マコーミック工学部の材料科学および工学の名誉教授です。マークス氏の研究グループの博士課程の学生であるカール・オルソン氏が、この論文の第一著者です。
紀元前600年、ギリシャの哲学者ミレトスのタレスが摩擦による静電気を初めて報告しました。彼は琥珀を毛皮でこすった後、毛皮がほこりを引き寄せることに気付きました。
「それ以来、摩擦は毛皮だけでなく、あらゆる絶縁体で静電気を帯電させることが明らかになった」とマークス氏は言う。「しかし、科学的なコンセンサスはほぼそこで終わっている」
マークス氏と彼のチームは2019年にこの謎の解明に着手した。フィジカル・レビュー・レターズ誌に掲載された研究で、彼らは2つの材料をこすり合わせると、それらの材料の表面にある小さな突起が曲がることを報告した。研究者たちは、曲がって変形した突起が電圧を生じさせることを発見した。
「2019年に、私たちは何が起こっているのかの種を持っていました。しかし、すべての種と同じように、それが成長するには時間が必要でした」とマークス氏は語った。「今、それは開花しました。私たちは電流を計算する新しいモデルを開発しました。さまざまなケースでの電流の値は、実験結果とよく一致しました。」
新しいモデルの核となるのは、「弾性せん断」という概念です。弾性せん断は、材料が滑る力に抵抗するときに発生します。人がテーブル上で皿を押すと、皿は滑るのを妨げます。人が押すのをやめると、皿は動きを止めます。この滑り抵抗によって生じる摩擦の増加により、電荷が移動します。
「滑りとせん断は密接に関係している」とマークス氏は言う。
静電気は、遊び場の滑り台を滑った後に髪の毛が逆立つなど、面白い事故を引き起こすこともありますが、深刻な問題を引き起こすこともあります。たとえば、静電気による火花は、工場火災や爆発の原因になります。また、粉末医薬品の投与量の一貫性を妨げることもあります。作用するメカニズムをより深く理解することで、研究者はこれらの問題に対する新しい解決策を導入できる可能性があります。
「摩擦電気における『摩擦』とは何か」という研究は、ノースウェスタン工学部の支援を受けて行われました。
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