Lo que has aprendido sobre electricidad estática es incorrecto

Para muchos de nosotros, la electricidad estática es uno de nuestros primeros encuentros que tenemos con el electromagnetismo, y es un elemento básico de la física de la escuela de secundaria.

En general, se explica como el producto de los electrones transferidos en una sola dirección entre distintas sustancias, como el vidrio y la lana, o un globo y una camiseta de algodón (dependiendo de si la demostración es en una clase de secundaria o infantil). Las diferentes sustancias tienen una tendencia a asimilar ya sean cargas positivas o negativas, se nos decía a menudo, y el proceso no es que transfiera mucha carga, pero sí la suficiente para producir que un globo se pegue al techo, o darle a alguien una descarga en un día frío y seco.

Casi completamente equivocado, según el artículo publicado en Science. La carga pueden ser transferida entre materiales idénticos, todos los materiales se comportan más o menos de la misma manera, la carga es el resultado de reacciones químicas, y cada superficie se convierte en un mosaico de cargas positivas y negativas, que llegan a alcanzar niveles miles de veces superiores al promedio de carga de la superficie.

¿Por dónde empezamos? Los autores se remontan a unos 2.500 años atrás, apuntando al griego Tales de Mileto como iniciador del estudio de la estática, la cual se generaba con el uso del ámbar y la lana. Pero no fue hasta el año pasado, que algunos de los autores de este nuevo estudio publicaron un resultado sorprendente: la electrificación de contacto (así es conocido este fenómeno entre sus seguidores de orientación técnica), puede acaecer entre dos piezas planas de la misma sustancia, aunque estén simplemente una recostada sobre la otra. "Desde una visión convencional de la electrificación de contacto", apuntan, "esto no debería suceder, ya que los potenciales químicos de ambas superficies materiales son idénticas y no hay aparentemente ninguna fuerza termodinámica que impulse la transferencia de carga."

Una posible explicación a esto es que, la superficie de un material, en lugar de ser uniforme desde el punto de vista estático, es un mosaico de áreas de donación y recepción de cargas. Para averiguarlo, se realizó la electrificación de contacto usando aisladores (de policarbonato y otros polímeros), un semiconductor (de silicio), y un conductor (de aluminio). Las superficies cargadas fueron escaneadas en alta resolución, utilizando el microscopio de fuerza Kelvin, una variante del microscopio de fuerza atómica, capaz de leer la cantidad de carga de una superficie.

Superficie antes de la carga estática (arriba) y después (abajo). Science.

La exploración con el microscopio de fuerza Kelvin, mostró que las superficies estaban dispuestas a modo de mosaico, con áreas de carga positiva y negativa del orden de un micrómetro o menos de ancho. Todos los materiales que probaron, sin importar cuál era la carga total recogida, mostraron ese patrón de mosaico. Las cargas se disipaban con el tiempo, y los autores descubrieron que este proceso no parecía ocurrir en la transferencia de electrones entre las áreas vecinas de cargas distintas, en vez de confundirse con en el entorno, los picos y valles de la carga seguían siendo distintos, aunque poco a poco disminuían de tamaño  Los autores estiman que cada una de estas áreas contiene cerca de 500 cargas elementales (de unos ± 500 electrones), o de un carga por área de 10 nm^₂.

La razón de que esto produzca una carga relativamente débil no se debe a que estos picos y valles sean pequeños, la diferencia de carga es del orden de 1.000 veces mayor que el promedio de carga de todo el material. Sólo que la área total de sitios con cargas positivas y negativas son prácticamente iguales (el porcentaje es de una fracción respecto una de la otra). La distribución parece ser totalmente al azar, ya que los autores consiguieron producir patrones similares con un generador de ruido blanco que fluctuó en dos escalas de longitud: 450nm. a 44nm.

Así pues, ¿qué produce la carga? Aparentemente, no es la transferencia de electrones entre las superficies. La espectroscopia detallada de uno de los polímeros (PDMS), sugiere que pueden estar involucradas las reacciones químicas, ya que se detectaron muchos derivados oxidados del polímero. Además, existe evidencias de que se transfiere algún material de una superficie a otra. Usando piezas separadas de flúor, y polímeros que contienen silicio, los autores pudieron ver que las señales que mostraban la presencia de flúor fueron detectadas en la muestra de silicio después del contacto.

La relación exacta entre la transferencia de carga y los procesos se constataron aquí, lo no está tan claro son las reacciones químicas y la transferencia de material entre las superficies. Sin embargo, hay posibles mecanismos por lo que estos procesos podrían acumular carga, y los autores claramente abogan por esta línea de investigación.

Entre tanto, es impresionante la cantidad de carga que podía barajarse bajo la acumulación estática. Cada pulgada cuadrada equivale a unos 6,5 x 10¹⁴ nanómetros cuadrados, que sumados por número de autores, eso es un buen montón de electrones.

• Referencia: Wired.com, 25 de junio 2011, por Ars Technica
• Imagen: Electricidad estática, de John Timmer
• Image: adamentmeat/Flickr
• Fuente: Ars Technica .
• Cita: Science, 2011. DOI: 10.1126/science.1201512 .