DENVER — L'électricité statique est un sujet délicat.
Touchez ou frottez deux matériaux ensemble et ils peuvent échanger des charges électriques. Mais les détails du phénomène de l’électricité statique sont mal compris. Aujourd’hui, les scientifiques ont identifié un facteur caché en jeu. Un mince revêtement de molécules riches en carbone modifie la façon dont des matériaux identiques échangent des charges, rapportent des scientifiques dans le 19 mars. Nature. Cela suggère que la contamination des surfaces joue un rôle majeur dans l’électricité statique.
« L'électricité statique n'est pas un jeu d'enfant », a déclaré le physicien Scott Waitukaitis lors d'une conférence le 16 mars au Sommet mondial de physique de l'American Physical Society. « Littéralement, cela pourrait être la raison pour laquelle nous avons du terrain sur lequel nous appuyer. » On pense que la charge créée par la collision de particules dans les disques protoplanétaires aide les planètes, y compris la Terre, à se former. C'est également la source d'éclairs volcaniques, aide à retenir le sable soulevé lors des tempêtes de poussière et peut provoquer des accidents industriels tels que des incendies dans les scieries.
Lorsque deux particules identiques s’entrechoquent, l’une acquiert une charge positive et l’autre devient négative. Mais les scientifiques ne savaient pas ce qui détermine quelle particule reçoit quelle charge. Waitukaitis et ses collègues ont étudié cet effet dans le dioxyde de silicium, ou silice, un matériau couramment présent dans le sable, la roche et le verre.
Les chercheurs ont fait rebondir une minuscule sphère de silice sur une plaque de silice et ont mesuré la charge acquise par la sphère. Pour ce faire, les scientifiques ont utilisé une technique appelée lévitation acoustique, exploitant les ondes sonores pour suspendre la perle de silice d’un demi-millimètre dans les airs avant de la laisser tomber. Cette technique évitait tout effet indésirable lié au contact physique de l’objet.
Certaines sphères se chargeaient positivement tandis que la plaque se chargeait négativement. Mais certaines interactions se sont déroulées dans l’autre sens. Cependant, si les chercheurs chauffaient la sphère ou la plaque à 200° Celsius pendant deux heures, puis la laissaient refroidir, ils pourraient manipuler l'effet. Une sphère préalablement chauffée chargeait presque toujours négativement une plaque non traitée, tandis qu'une plaque chauffée rendait la sphère chargée positivement. La même chose s’est produite lorsque les sphères ont été exposées au plasma, un mélange de particules chargées électriquement. Dans les deux cas, l’objet traité a pris une charge négative et l’objet pur est devenu chargé positivement.
Une inspection minutieuse des matériaux a révélé que les traitements thermiques et plasma ont éliminé une fine couche de molécules riches en carbone de la surface de la silice. Presque tous les objets exposés à l’air sont incrustés de la même manière, grâce aux molécules organiques omniprésentes qui flottent. « Ce gâteau de carbone pousse sur tout, dans tous les environnements », explique Waitukaitis, de l'Institut autrichien des sciences et technologies de Klosterneuburg.
Après qu’une sphère ait été traitée thermiquement, sa couche de carbone est revenue au bout de plusieurs heures, en raison de l’exposition aux molécules riches en carbone présentes dans l’air. Le comportement de charge de la sphère s'est rapproché de sa ligne de base d'origine en parallèle avec la croissance de la couche de carbone, ce qui suggère que la couche de carbone était responsable du changement dans la façon dont les objets se chargent.
« Cela a vraiment montré que les deux choses évoluaient à la même échelle de temps », explique l'ingénieur chimiste Daniel Lacks de l'Université Case Western Reserve à Cleveland, qui n'a pas participé à la recherche.
Les scientifiques soupçonnaient depuis longtemps que la contamination des surfaces – par le carbone ou d’autres substances – était importante pour comprendre l’électricité statique. La nouvelle étude « prouve très clairement le point général selon lequel les contaminations de surface incontrôlées jouent un rôle majeur », déclare Laurence Marks, spécialiste des matériaux, de l'Université Northwestern à Evanston, dans l'Illinois. Mais ce n'est pas la fin de l'histoire. Des expériences antérieures, dit-il, ont révélé que d'autres facteurs étaient pertinents, tels que la courbure d'une surface.
Même un petit changement dans la couche de carbone peut modifier les résultats d'une expérience, explique le physicien Rolf Möller de l'université de Duisburg-Essen en Allemagne. « Ce travail montre bien qu’il faut être très prudent quant à… l’influence des contaminations. »
Les conclusions de l'étude s'appliquent à la silice et aux matériaux associés, appelés oxydes isolants. Mais l’importance de comprendre les effets de surface est générale. Dans une étude antérieure, Waitukaitis et ses collègues ont découvert que l'électricité statique entre des polymères spongieux dépendait du nombre de fois où ils avaient été touchés et de la douceur de leurs surfaces.
Les chercheurs ne savent toujours pas comment la modification de la couche de carbone modifie le résultat d'une expérience, ni même comment les charges sont réellement échangées entre les objets. Mais ces travaux pourraient permettre de mieux comprendre un phénomène électrisant.
