W ramach prowadzonych wspólnie badań, prof. Robert Alicki (Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych na Uniwersytecie Gdańskim) i prof. Alejandro Jenkins (Universidad de Costa Rica) rozwiązali jedną z najstarszych zagadek fizyki - mechanizm elektryzowania się ciał, czyli tzw. tryboelektryczności. Z wynikami badań można zapoznać się w czasopiśmie Physical Review Letters.

Elektryzowanie (elektryzacja) to znane od dawna zjawisko fizyczne polegające na wytworzeniu w ciele, elektrycznie obojętnym, nadmiaru ładunków elektrycznych jednego znaku, powodującego przepływ prądu. Jednak dopiero niedawno proces ten znalazł swoje wytłumaczenie, dzięki współpracy profesora Roberta Alickiego (Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych na Uniwersytecie Gdańskim) i profesora Alejandro Jenkinsa (Universidad de Costa Rica).

– Kiedy pocieramy o siebie dwa ciała (np. materiałem dotykamy kota), zachodzi proces zamiany energii kinetycznej (pochodzącej z ruchu materiału wobec sierści) na siłę elektromotoryczną, która powoduje przepływ prądu (widzimy to jako iskrę albo czujemy kopnięcie prądu). Przyroda skonstruowała więc urządzenie: kot i szmatka mogą dawać prąd. Ale jak w mikroskali wygląda maszynka, która zamienia ruch na prąd - nie było wiadomo. A my pokazaliśmy teoretyczny mechanizm, który wyjaśnia, jak jest tam generowany prąd, jak płyną tam ładunki. Tego nie możemy dokładnie zrozumieć używając tylko fizyki klasycznej. Trzeba użyć do tego najnowszych osiągnięć termodynamiki kwantowej – wyjaśnia prof. Robert Alicki.

Obecnie profesor Alejandro Jenkins przebywa na Uniwersytecie Gdańskim w ramach stypendium im. Ulama i kontynuuje współpracę z prof. Robertem Alickim nad tzw. aktywnymi układami fizycznymi przekształcającymi różne formy energii w użyteczną pracę.

– Do takich układów należą liczne przykłady  generatorów prądu jak baterie i akumulatory, ogniwa fotowoltaiczne, termoelektryczne i paliwowe, a także generatory oparte o wspomniane  zjawisko tryboelektryczności. Aktywnymi układami są również pompy jonowe w komórkach. Mimo powszechności takich układów w przyrodzie i technice nie opisano do tej pory w sposób szczegółowy i wewnętrznie spójny mechanizmów ich funkcjonowania – dodaje profesor.

– Efekt tryboelektryczny (ładowanie powierzchni przez tarcie) był pierwszym zjawiskiem elektrycznym, które zostało zbadane i wykorzystane przez ludzi. Słowo „elektryczność” pochodzi od starożytnego greckiego słowa „elektron”, oznaczającego bursztyn, ponieważ od starożytności wiadomo, że bursztyn potarty jedwabiem lub futrem przyciąga pobliskie przedmioty. W XVIII wieku Benjamin Franklin wykorzystał efekt tryboelektryczny do ustalenia zasady zachowania ładunku. A jednak nigdy nie było zadowalającego teoretycznego wyjaśnienia, w jaki sposób tarcie mechaniczne może powodować ładowanie elektryczne. W naszej niedawnej pracy wykorzystaliśmy nowoczesną teorię otwartych układów kwantowych do rozwiązania tej starożytnej zagadki – tłumaczy prof. Alejandro Jenkins.

Tryboelektryczność ma również duże znaczenie praktyczne.

– Powoduje przywieranie tonera z kserokopiarki lub drukarki laserowej do papieru. Może być używana do generowania użytecznej mocy poprzez „zbieranie energii”, ale może również powodować śmiertelne eksplozje, wytwarzając iskry w kopalniach węgla lub silosach na mąkę. Generuje wyładowania atmosferyczne w atmosferze, co jest nadal słabo rozumiane przez meteorologów. Lepsze teoretyczne zrozumienie efektu tryboelektrycznego jest zatem nie tylko interesujące pod względem koncepcyjnym, ale także potencjalnie przydatne w wielu dziedzinach nauk stosowanych – dodaje profesor.

Z wynikami badań można zapoznać się w Physical Review Letters.

O programie

Celem programu im. Stanisława Ulama jest zwiększenie stopnia umiędzynarodowienia polskich uczelni i instytucji naukowych. Program pozwala na przyjazdy do Polski zarówno uznanych, jak i obiecujących naukowców, posiadających co najmniej stopień naukowy doktora, którzy wzmocnią potencjał naukowy polskich jednostek i włączą się w prowadzone w nich aktywności naukowe, przede wszystkim projekty badawcze i dydaktykę. W ramach programu możliwe jest zaproszenie do polskich instytucji nauki i szkolnictwa wyższego naukowców reprezentujących wszystkie dziedziny nauki i pochodzących z różnych krajów na świecie. Uczelnie oraz instytuty naukowe oraz badawcze mogą zaprosić do Polski specjalistów z priorytetowych dla nich dziedzin, którzy w znaczący sposób rozwiną prowadzone przez daną instytucję badania naukowe, wzmocnią dydaktykę, czy też wesprą instytucję w przygotowywaniu aplikacji o prestiżowe granty. (źródło NAWA)

Kolejny nabór do Programu im. Ulama planowany jest na wiosnę 2021.