الكهرباء الساكنة شائعة جدًا بحيث يمكن أن تبدو بسيطة. افركي بالونًا على رأسك، وسيؤدي نقل الشحنات إلى جعل شعرك يقف منتصبًا. اخلط قدميك على السجادة، وقد يؤدي عدم توازن الشحنة الذي تنتجه إلى صدمة أحد المارة الأبرياء.
لذلك قد يكون من المفاجئ أن الكهرباء الساكنة – التي تنشأ مما يسميه الباحثون في هذا المجال التأثير الكهربائي الاحتكاكي – قد تركت العلماء في حالة من الإرهاق لأدمغتهم لعدة قرون. بعض الأساسيات واضحة. يتم نقل رسوم المواد عندما يتم فركها أو ملامستها لبعضها البعض: يصبح أحدهما مشحونًا بشكل إيجابي والآخر مشحونًا بشكل سلبي. الشحنات المتضادة تتجاذب بينما الشحنات المتطابقة تتنافر، وهكذا، يكون لديك تجربة علمية في المدرسة الابتدائية.
لكن معظم كل شيء آخر في هذا المجال يظل محيرًا. هل الإلكترونات أم الأيونات أم أجزاء المادة هي التي تنقل الشحنة؟ لماذا يتم شحن بعض المواد بشكل إيجابي والبعض الآخر بشكل سلبي؟ ماذا يحدث عندما تتلامس عينتان من نفس المادة؟ على سبيل المثال، عند “فرك بالون على بالون”، كما يقول عالم الفيزياء التجريبية سكوت وايتوكايتيس من معهد العلوم والتكنولوجيا في النمسا في كلوستيرنوبورج. جزء كبير من المشكلة هو أن التجارب تميل إلى سوء التصرف، حيث تؤدي نفس الإجراءات إلى نتائج مختلفة.
حول دعم الصحافة العلمية
إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.
والآن، يقوم الباحثون بتفكيك بعض الألغاز التي ابتلي بها هذا المجال منذ فترة طويلة. من خلال تجهيزات مختبرية متطورة تتحكم بعناية في العوامل المركبة، وجد وايتوكايتيس وفريقه أن شحن بعض المواد لديه ميل غريب للتوقف على تفاعلاتها السابقة. هذا الاسبوع في طبيعةأفاد وايتوكايتيس وزملاؤه أن الجزيئات السطحية الحاملة للكربون يمكن أن يكون لها دور في توجيه الطريقة التي يتم بها تبادل الشحنة.
يقول دانييل لاكس، المهندس الكيميائي الذي درس الكهرباء الاحتكاكية في جامعة كيس ويسترن ريزيرف في كليفلاند، أوهايو: إن هذه الاكتشافات «تعد أفضل عمل منذ وقت طويل حقًا» في هذا المجال. وتقوم فرق أخرى بالتحقيق في كيفية تحكم مساحة السطح والسرعة أثناء الاصطدام في نقل الشحنة، وكيف يساهم كسر الروابط الكيميائية.
يبدو أن تدفق الأبحاث مدفوع بالرغبة في التدقيق في الفيزياء الأساسية المؤثرة، كما يقول لورانس ماركس، عالم المواد في جامعة نورث وسترن في إيفانستون، إلينوي. إن الفهم الأفضل لعلم الكهرباء الساكنة يمكن أن يؤدي إلى تحسين الأجهزة التي تستخدمها لتشغيل أجهزة الاستشعار عن بعد أو التقنيات القابلة للارتداء بدون بطاريات، على سبيل المثال. يمكن أن يساعد أيضًا في منع التفريغ الكهربائي الذي يمكن أن يسبب انفجارات صناعية.
يقول الباحثون إنه أصبح من الواضح بشكل متزايد أن الكهرباء الساكنة ليست ظاهرة بسيطة تلتزم بمجموعة واحدة واضحة من القواعد. وبدلا من ذلك، يمكن أن يتشكل كل تبادل للتهم من خلال عدة عوامل تختلف باختلاف الظروف. بعض هذه العوامل معروفة الآن والبعض الآخر لا يزال في انتظار الكشف عنه.
الملاحظات القديمة
يعود تاريخ الكهرباء الساكنة إلى العصر اليوناني القديم على الأقل. تتضمن كلمة Triboelectric الكلمات اليونانية التي تعني “فرك” و”عنبر”، لأنه بعد فرك الكهرمان على الفراء، فإنه يجذب الأجسام الخفيفة مثل الريش. وفي نهاية القرن السادس عشر، حدد الفيزيائي الإنجليزي ويليام جيلبرت مواد أخرى لها نفس قوة الجذب، بما في ذلك الزجاج والماس والياقوت، وميز هذا النوع من السحب الكهربائي عن المغناطيسية. في القرون التي تلت ذلك، عرف العلماء أن البرق كان عبارة عن تفريغ إلكتروستاتيكي، وهو نسخة كبيرة الحجم من الصاعقة الحميدة التي تأتي من تحريك الأقدام عبر السجادة، واخترعوا مولدات إلكتروستاتية مبكرة – أسلاف مولدات فان دي غراف التي أذهلت الطلاب في متاحف العلوم.
بحلول منتصف القرن الثامن عشر، بدأ الباحثون أيضًا في توثيق المواد التي أصبحت مشحونة سالبًا وأيها موجبة، وأنتجوا قوائم تسمى السلسلة الكهربائية الاحتكاكية. هذه المواد مرتبة من الأكثر احتمالا لشحن إيجابي إلى الأكثر احتمالا لشحن سلبي، مع إدراج فراء الأرانب بالقرب من الأعلى والسيليكون بالقرب من الأسفل، على سبيل المثال.
لقد شهدت الجهود المبذولة لفهم هذه الظاهرة ركوداً لجزء من القرن العشرين قبل أن يعود الاهتمام بها في مطلع القرن الحادي والعشرين. يعزو ماركس هذا الاهتمام المتجدد، جزئيًا على الأقل، إلى اختراع المولد النانوي الكهربائي الاحتكاكي. يعتمد هذا الجهاز على التأثير الكهربائي الاحتكاكي لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء. لقد اجتذبت الباحثين المهتمين بطرق جديدة لتشغيل التقنيات الصغيرة. يقول جوليو فاتي، وهو مهندس ميكانيكي في جامعة إمبريال كوليدج لندن: “في السنوات العشر الماضية، شهد هذا المجال انفجارًا كبيرًا”.
ومع ذلك، حتى مع زيادة الاهتمام، ظلت أساسيات الكهرباء الاحتكاكية بعيدة المنال. يقول ماركس: هناك بعض الأفكار المقبولة عمومًا. تتمتع المادة بإمكانية محددة لخروج جسيم مشحون يعتمد على سطح المادة وتكوينها. وتسمى هذه الإمكانية بوظيفة عمل المادة، وهي تنطبق حتى الآن بشكل أفضل على المواد المعدنية، كما يقول وايتوكايتيس. ويجب أن تكون العينة أيضًا قادرة على احتجاز الجزيئات المشحونة، بحيث يتم الاحتفاظ بها في مكانها عندما تنفصل المواد بعد التبادل. لكن الفيزيائيين ما زالوا يحددون الآليات الدقيقة وراء هذه الظواهر.
يبدو أن التفاصيل الأخرى للاتصال مهمة أيضًا. ولكن ما هو الأكثر أهمية في ظل أي ظروف وما هي المواد التي لا تزال غير واضحة. يقول ماركس إن ما إذا كان من الممكن تفسير الكهرباء الاحتكاكية من خلال الفيزياء الحالية، أو ما إذا كانت تتطلب نموذجًا خاصًا بها، هو سؤال مفتوح.
النظر إلى الماضي
كان وايتوكايتيس وفريقه يحققون في كيفية تبادل الشحنات بين عينات من نفس المادة عندما واجهوا نتائج غير متناسقة، والتي طالما أحبطت الباحثين في هذا المجال. من الصعب إعادة إنتاج سلسلة Triboelectric. حصلت الفرق على نتائج متباينة فيما يتعلق بالمواد التي تصبح مشحونة بشكل إيجابي أو سلبي، وحتى نتائج مختلفة مع نفس العينات.
كلف وايتوكايتيس طالب الدكتوراه آنذاك خوان كارلوس سوبارزو بمحاولة تشكيل سلسلة باستخدام عينات من نفس البوليمر المعتمد على السيليكون. لكن سوبارزو لم يتمكن من الحصول على أي نتائج متسقة. في إحدى التجارب، تصبح العينة (أ) مشحونة سالبًا عند التفاعل مع العينة (ب). وفي التجربة التالية، تصبح مشحونة بشكل إيجابي.
يقول وايتوكايتيس: “لفترة طويلة جدًا، اعتقدنا أننا نفعل شيئًا خاطئًا”. “كنا نظن أن هناك بعض المتغيرات التي لم نكن نسيطر عليها.”
وحتى عندما سيطر الفريق بعناية على نسبة الرطوبة – لأن الباحثين اعتقدوا أن الماء الموجود على سطح المادة يمكن أن يؤثر على كيفية شحنها – ظلت النتائج محيرة.
بعد ذلك، قام سوبارزو بالتنقيب عن مجموعة من العينات التي خضعت بالفعل للعديد من التجارب، واختبر كيفية تفاعلها مع العينات الجديدة. وسرعان ما لاحظ الباحثون أن العينات التي كانت أكثر اتصالا تميل إلى أن تصبح مشحونة سلبا. وفي تجارب أخرى، قاموا بتتبع عدد الاتصالات التي خضعت لها كل عينة بالفعل.
يقول وايتوكايتيس: “عندها بدأت الأمور تصبح منطقية. فالعينات التي تم لمسها أكثر في تاريخها كانت دائمًا تشحن بشكل سلبي”. “ما بدا وكأنه فوضى كان مؤشرا على تطور العينات.”
ويشتبه الباحثون في أن هذا التطور له علاقة بكيفية تشوه سطح العينة مع كل اتصال.
في الورقة الحالية، قام وايتوكايتيس، بالتعاون مع جاليان جروجيان، عالم الفيزياء التطبيقية في جامعة برشلونة المستقلة بإسبانيا، وزملائهم، بالبحث بشكل أعمق في كيفية تبادل الشحنات بين مادتين متطابقتين ظاهريًا. هذه المرة، عملوا مع الأكاسيد – وهي مواد، مثل الرمل، تتكون من ذرات مرتبطة بالأكسجين – واستخدموا العديد من التقنيات، بما في ذلك جهاز يرفع العينات للحفاظ على شحنتها من التغير. كما استخدموا أيضًا كاميرا عالية السرعة لقياس شحنة العينات بدقة.
قبل التجربة، اعتقد العلماء أن الماء الموجود على سطح المواد قد يؤثر على تبادل الشحنات. لكن العينات المخزنة في بيئة رطبة أو جافة لا يبدو أنها تتأثر بشكل ملحوظ. بعد ذلك، قام الباحثون بخبز المواد ووجدوا أن العينات المخبوزة تميل إلى أن تصبح مشحونة بشكل سلبي بعد الاتصال والعينات غير المخبوزة بشكل إيجابي.
وبعد استكشاف واجهات المواد، أدرك الباحثون أن عملية الخبز غيرت النتائج من خلال التخلص من الجزيئات الحاملة للكربون على سطح المواد. عادة ما يتم التقاط هذه الأنواع من الجزيئات، مثل غاز الميثان الغني بالكربون، من الهواء. يقول جروجان: “إنهم “يصعدون ببطء ولكن بثبات إلى كل الأسطح”. تشير النتائج إلى أنه من المرجح أن تصبح المادة مشحونة بشكل إيجابي بعد ملامستها إذا كانت تحتوي على عدد أكبر من الجزيئات الكربونية على سطحها.
يقول وايتوكايتيس إن الفريق قام بعمل مزدوج بعد اكتشاف أن الجزيئات الحاملة للكربون هي التي تلعب دورها. ويقول: “قلما تسمع الناس يتحدثون عن تلك الجزيئات الموجودة في مجال الكهرباء الساكنة”.
توفر هذه النتائج الخطوات الأولى نحو فهم العوامل التي تؤثر على نقل الشحنة بشكل أكبر. حتى الآن، يبدو أن نتائج تاريخ الاتصال تتعلق فقط بمواد البوليمر، مثل البلاستيك، في حين أن النتائج الأخيرة تنطبق فقط على الأكاسيد.
ومع ذلك، يشير البحث إلى أنه لا توجد إجابة واحدة تناسب الجميع حول كيفية شحن المواد. يقول وايتوكايتيس: “إن فكرة الترتيب الدائم للكهرباء الاحتكاكية بين المواد المختلفة هي مجرد سراب”.
يقول لاكس إن فكرة أن مثل هذه العوامل الصغيرة يمكن أن تكون مؤثرة جدًا ليست بالضرورة فكرة جديدة. ويضيف: “لكن الجديد تمامًا هو هذه التجارب المنهجية التي تثبت أن مادة ملوثة معينة تلعب دورًا حاكمًا ومسيطرًا”. لقد “ابتعد المجال عن التلويح باليد إلى دليل أكثر علمية”.
الانطلاق إلى الأمام
وتقوم مجموعات أخرى بتفكيك التشابكات الخاصة بها. على سبيل المثال، أفاد باحثون في كوريا الجنوبية أنهم يستطيعون التحكم في نقل الشحنة عن طريق التلاعب بالمجال الكهربائي الداخلي للمادة. يقول المؤلف المشارك في الدراسة سانج وو كيم، الذي يدرس حصاد الطاقة الكهربائية الاحتكاكية في جامعة يونسي في سيول: “كان هذا مفيدًا لأن الكهرباء الاحتكاكية كانت تعتبر منذ فترة طويلة خارجة عن السيطرة إلى حد كبير”. يقول ماركس إن النتائج تتلاءم مع المبادئ الكهرومغناطيسية الحالية، مما يشير إلى أن عملية كهربة الاحتكاك لا تحتاج إلى مجموعة جديدة من القواعد. وقد وجد فريق في ألمانيا أنه مع زيادة سرعة التصادم بين معدنين متصادمين، تزداد أيضًا مساحة سطح التصادم، مما قد يؤثر على نقل الشحنة. كانت العلاقة بين سرعة التأثير ونقل الشحنة مطروحة للنقاش.
قام فاتي ومعاونوه بدراسة الكهرباء الاحتكاكية وكسر الروابط الكيميائية، ووجدوا أن المعدن يمكنه كسر الروابط الكيميائية على سطح البوليمر عندما تتفاعل المادتان. يخلق عدم الاستقرار هذا الظروف الكيميائية المناسبة لتبادل الإلكترونات لإعادة استقرار الرابطة. ويقولون إن النتائج، التي تم الإعلان عنها في يناير الماضي، يمكن أن تساعد الباحثين على إنشاء مولدات نانوية كهربية احتكاكية ذات أداء أفضل.
قد يساعد إجراء المزيد من الأبحاث أيضًا في منع التفريغ الكهربائي الذي يسبب أضرارًا أو يشعل انفجارات، في المصانع الصناعية، على سبيل المثال. وتشمل التطبيقات الأخرى التحكم في الشحنة الموجودة في المواد من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء مكافئ كهربائي مؤقت للمغناطيس الدائم وتقييم الضرر الذي يمكن أن يحدثه غبار القمر الغزير لمعسكرات القاعدة القمرية المستقبلية.
يقول ماركس إنه منذ أن بدأ العمل في هذا المجال في عام 2018، وجد أن المزيد من الفيزيائيين والكيميائيين يطبقون “التحليل الأساسي” على الكهرباء الساكنة، ويجرون قياسات دقيقة للغاية.
ويوافق وايتوكايتيس على أن المزيد من المختبرات “تتوخى الحذر” في إجراء التجارب. ويقول: “بعد ذلك، تتشارك هذه المختبرات التقنيات التي ساعدتها مع مختبرات أخرى”. لا تزال مجموعة صغيرة ومتماسكة من العلماء يعقدون مؤتمرًا واحدًا مخصصًا كل عام، على الرغم من أنه كان يحاول نشر حماسه بشأن الكهرباء الاحتكاكية في اجتماعات فيزيائية أكبر.
والآن بعد أن بدأت المجموعات في تحديد المعاملات الأكثر أهمية لبعض عمليات نقل الشحنات، يأمل وايتوكايتيس أن يكتمل فهم الفيزيائيين لهذه الظاهرة. ويضيف: “لست متأكدًا من أننا نجعل الأمور أكثر بساطة”. “لكننا نفعل ما هو ضروري لفهم هذا الأمر.”
تم نسخ هذه المقالة بإذن وكان نشرت لأول مرة في 18 مارس 2026.
التعليقات