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La ciencia del choque estático ha entrado en el siglo XXI.

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La electricidad estática ha desconcertado a los científicos durante miles de años. Arriba, los iones de agua transportan una carga entre dos materiales eléctricamente aislantes. La cuadrícula azul representa el flujo de cargas que se puede sentir como una chispa. Crédito: Universidad de Princeton

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La electricidad estática ha desconcertado a los científicos durante miles de años. Arriba, los iones de agua transportan una carga entre dos materiales eléctricamente aislantes. La cuadrícula azul representa el flujo de cargas que se puede sentir como una chispa. Crédito: Universidad de Princeton

Cruzar la alfombra para golpear a un amigo mayor puede ser un truco del libro, pero en un nivel profundo, esta broma todavía desconcierta a los estudiosos, incluso después de miles de años de estudio.

Ahora los investigadores de Princeton han dado nueva vida a la estática. Utilizando millones de horas de tiempo computacional para ejecutar simulaciones detalladas, los investigadores encontraron una manera de describir la carga estática átomo por átomo utilizando las matemáticas del calor y el trabajo. ellos papel“Fuerzas impulsoras termodinámicas en la electrificación de contacto entre materiales poliméricos” aparece en Comunicaciones de la naturaleza.

El estudio analizó específicamente cómo se mueven las cargas entre materiales que no permiten el libre flujo de electrones, llamados materiales aislantes, como el vinilo y el acrílico. No existe una opinión consistente sobre los mecanismos que causan estos temblores, aunque la electricidad estática es omnipresente: el crujido de la ropa al sacar la secadora, los cacahuetes pegados a una caja, dijeron los investigadores.

«Sabemos que no son electrones», dijo Mike Webb, profesor asistente de ingeniería química y biológica, quien dirigió el estudio. «¿qué es esto?»

Webb se hizo esta pregunta por primera vez cuando era investigador postdoctoral en la Universidad de Chicago. Él y sus colegas estaban desconcertados, desconcertados de que un fenómeno tan común pudiera ser tan incomprensible. Pero cuanto más miraban, más difíciles se volvían las preguntas de superar. «Parecía muy descabellado», dijo.

Ha estado fuera de su alcance desde que Tales de Mileto frotó por primera vez el ámbar con piel y observó cómo el ámbar (griego: electrón) acumulaba plumas y polvo hace 26 siglos. Tales fue uno de los primeros en explicar la naturaleza mediante la razón y no mediante fuerzas sobrenaturales. Desempeñó un papel crucial en el desarrollo de la filosofía y, en última instancia, de la ciencia. A pesar de la profundidad y amplitud del conocimiento acumulado durante los milenios siguientes, y a pesar de las innumerables tecnologías nacidas de ese conocimiento, la ciencia, en todo ese tiempo, nunca ha salido del punto muerto. Quizás nunca suceda.

En Princeton, Webb habló con su colega Sankaran Sundaresan, un destacado experto en ingeniería de reacciones químicas que se especializa en el flujo de materiales en cámaras de gas. En estos entornos cargados de sustancias químicas volátiles, una chispa perdida puede ser mortal. Sundaresan ha trabajado con carga estática durante décadas, utilizando datos experimentales confiables para predecir cómo se mueve la carga en estos sistemas, pero nunca lo entendió completamente.

«Lo trato como una caja negra», dijo Sundaresan, profesor de ingeniería Norman John Sullenberger. «Hacemos algunos experimentos y los experimentos me dicen: Esto es lo que está sucediendo. Ésta es la carga». Trabaja al máximo y observa atentamente lo que ve. Lo que sucede dentro de la caja negra sigue siendo un misterio.

Lo único que se encuentra, no importa dónde se mire, según Sundaresan, son trazas de agua. Las moléculas de agua cargadas se encuentran en todas partes, en casi todo, y se adhieren a casi todas las superficies de la Tierra. Incluso en condiciones extremadamente áridas, bajo calor extremo, los iones de agua perdidos se acumulan en oasis microscópicos que contienen cargas eléctricas.

Por cierto, Tales no era famoso por su trabajo en el campo de la electricidad, sino por un proyecto más amplio. Propuso que toda la naturaleza está compuesta de agua y que el agua es la sustancia básica. Este fue el primer intento de desarrollar una teoría unificada del todo. Aristóteles lo escribió todo.

A lo largo de la carrera de Sundaresan, él y sus colegas redujeron la caja negra para que los misterios fueran profundizados más que nunca. Pero los misterios persisten.

Una conversación entre él y Webb condujo a una comprensión mutua. Sundaresan tenía décadas de experiencia con datos de reactores y Webb podía aplicar técnicas computacionales sofisticadas a nivel atómico para observar estos iones de agua desde una perspectiva termodinámica.

¿Cuánta energía necesita un ion de agua para moverse de una superficie a otra? Quizás esto explique lo que estaba sucediendo dentro de la caja negra de Sundaresan. Se ha resuelto un misterio sin resolver de la época postdoctoral de Webb.

Al modelar la relación entre las moléculas de agua cargadas y la cantidad de energía que esas moléculas tienen disponible para empujarlas entre superficies, Webb y el estudiante graduado Huang Zhang demostraron una aproximación matemática muy precisa de cómo se mueve la carga eléctrica entre dos materiales aislantes.

En otras palabras, utilizaron las matemáticas para simular el movimiento de unos 80.000 átomos. Estas simulaciones coincidieron con observaciones del mundo real con un alto grado de precisión. Resulta, con toda probabilidad, que el choque estático es función del agua y, más específicamente, de la energía libre de los iones de agua perdidos.

Con este marco, Webb y Zhang revelaron con todo detalle los fundamentos moleculares de estos shocks familiares. Volaron la caja negra de Sundaresan y la abrieron de par en par. Si Tales pudiera ver.

más información:
Hang Zhang et al., Fuerzas impulsoras termodinámicas en la electrificación de contacto entre materiales poliméricos, Comunicaciones de la naturaleza (2024). doi: 10.1038/s41467-024-46932-2

Información de la revista:
Comunicaciones de la naturaleza


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