При движението си по повърхности водата генерира електрически заряд, който е до 10 пъти по-голям от предполагаемия досега, са открили изследователи от Кралския технологичен институт в Мелбърн (RMIT) и Университета в Мелбърн.

Екипът е наблюдавал, че когато водна капка се задържи върху малка неравност или грапавина, се натрупва напрежение, докато тя „прескочи или се плъзне“ през препятствието, създавайки необратим заряд, който не е бил съобщаван досега.

Новите сведения за това движение на водата по повърхността, което учените наричат „stick-slip“ („прилепване-приплъзване“) проправят пътя за проектиране на повърхности с контролирано наелектризиране, с потенциални приложения, вариращи от подобряване на безопасността в системите за съхранение на гориво до повишаване на скоростта на натрупване и зареждане на енергия.

„Хората виждат, че дъждовната вода се стича по прозореца или по предното стъкло на автомобила по безразборен начин, но не подозират, че тя генерира малък електрически заряд“, коментира д-р Питър Шерел (Peter Sherrell), чиито изследвания в RMIT са специализирани в улавянето и използването на енергия от околната среда.

„Досега учените смятаха, че това явление се случва, когато течността напуска повърхност, която от влажна става суха."

„В тази работа показахме, че зарядът може да се създаде още при първия контакт на течност с повърхността, когато тя преминава от суха в мокра, и е 10 пъти по-силен от заряда от мокро към сухо.

„Важното е, че този заряд не изчезва. Нашите изследвания не определят точно къде се намира този заряд, но ясно показват, че той се генерира на контактната повърхност и вероятно се задържа в капката, докато тя се движи по повърхността."

Електрическият ток в контейнер за гориво със запалими течности може да бъде опасен, така че натрупването на заряд върху твърда повърхност трябва да бъде безопасно разтоварено, когато течността се придвижи по нея.

„Разбирането на това как и защо се генерира електрически заряд по време на движението на течности по повърхности е важно, тъй като започваме да приемаме новите възобновяеми запалими горива, необходими за прехода към нулево потребление“, изтъква д-р Джо Бери (Joe Berry), който е експерт по динамика на флуидите от катедрата по химично инженерство в университета в Мелбърн.

„Понастоящем при съществуващите горива натрупването на заряд се намалява чрез ограничаване на потока, използване на добавки или други мерки, които може да не са ефективни при по-новите горива. Това проучване може да ни помогне да разработим покрития, които биха могли да намалят натрупването на заряд в новите горива."

В това изследване, публикувано в Physical Review Letters, екипът изследва този ефект на натрупване на заряд във водата и в материала, използван в тефлона - политетрафлуороетилен (PTFE).

Тефлонът е вид пластмаса, която често се използва в тръби и други материали за обработка на течности, но не провежда електричество, което означава, че генерираният заряд не може да бъде безопасно или лесно отстранен.

Екипът измерва електрическия заряд и контактните площи, създадени от разширяване и свиване на водни капки върху плоска плоча от тефлон - ефективно симулиране на движението на капки по повърхността. Кредит: Peter Clarke, RMIT University

Как екипът провежда изследването

Екипът измерва електрическия заряд и контактните площи, създадени от водните капки, които се разширяват и свиват върху плоска плоча от тефлон - ефективно симулирайки движението на капките по повърхността.

Екипът е използвал специализирана камера, за да заснеме отделни кадри на прилепването и плъзгането на капките, като едновременно с това е измервана промяната в заряда.

Хората виждат, че дъждовната вода се стича по прозореца или по предното стъкло на автомобила по безразборен начин, но не подозират, че тя генерира малък електрически заряд. Кредит: Wikimedia Commons

Резултатите от изследването

Шуайцзя Чън (Shuaijia Chen), първи автор и докторант от Университета в Мелбърн, споделя, че при първото докосване на водата до повърхността се получава най-голяма промяна в заряда - от 0 до 4,1 нанокулома (nC).

Зарядът се колебае между около 3,2 и 4,1 nC, докато взаимодействието между водата и повърхността се редува между мокра и суха фаза.

„За да представим нещата в перспектива, количеството електрически заряд, което водата създава при движението си по повърхността на PTFE, е повече от милион пъти по-малко от статичния ток, който може да получите от някой, който скача до вас на батут“, обяснява Чън.

„Това количество заряд може да звучи незначително, но това откритие може да доведе до иновации, които могат да засилят или потиснат заряда, създаден при взаимодействието между течности и повърхности, в редица реални приложения."

Експериментът на екипа. Кредит: RMIT University

Следващи стъпки

Екипът коментира, че въздействието на това изследване разчита на развитието на комерсиални технологии с бъдещи индустриални партньори. Изследователите планират да изследват феномена с други видове течности и повърхности.

„Количеството и степента на заряд при други взаимодействия на течности и повърхностни материали може да са от значение за редица потенциални търговски приложения“, посочва Шерел.

„Планираме да проучим къде движението на приплъзване може да повлияе на дизайна на безопасността на системите за обработка на течности, като тези, използвани за съхранение и транспортиране на амоняк и водород, както и методи за възстановяване на електричество и ускоряване на зареждането от движение на течности в устройства за съхранение на енергия."

Справка: ‘Irreversible charging caused by energy dissipation from depinning of droplets on polymer surfaces’ is published in Physical Review Letters (DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.104002).

Източник: Water movement on surfaces makes more electric charge than expected, RMIT University