Partículas levitadas con sonido revelan un patrón predecible de carga estática
Cuando dos partículas rebotan una contra otra una y otra vez, cada colisión transfiere entre ellas una cantidad impredecible de carga eléctrica, pero el total sigue un patrón claro. Es la conclusión de los físicos de la Universidad de Bristol, dirigidos por Tom O'Hara, que estudiaron colisiones repetidas de dos partículas mantenidas en el aire por el sonido. El resultado se publicó el 23 de octubre en Physical Review E con el título «It takes two to tribo: Stochastic charge evolution in repeated binary collisions of acoustically levitated particles» (Para la triboelectricidad hacen falta dos: evolución estocástica de la carga en colisiones binarias repetidas de partículas levitadas acústicamente).
Un efecto antiguo que aún no se comprende del todo
La carga triboeléctrica, el proceso que genera electricidad estática, ocurre siempre que dos objetos se tocan y se separan: intercambian carga, cuyo signo y magnitud dependen de los materiales implicados. «La carga triboeléctrica se conoce desde la época de Platón, pero los mecanismos fundamentales que rigen la transferencia de carga siguen sin entenderse por completo», explica O'Hara. «Esto es especialmente importante en los polvos aislantes, donde la gran superficie permite acumular grandes cantidades de carga superficial».
El efecto aparece en la ceniza volcánica, las tormentas de polvo y las nubes de tormenta, donde la acumulación de carga acaba en un rayo. También es un riesgo en la industria, donde la carga puede inflamar polvo o nubes de vapor combustibles. Como estos sistemas implican un número enorme de colisiones en condiciones variables, es muy difícil aislar lo que ocurre en una sola colisión.
Cómo lo hicieron
En 2017 un equipo de Bristol construyó TinyLev, un levitador acústico de bajo coste hecho con piezas comerciales, capaz de atrapar objetos como esferas de sílice, gotas de agua e insectos pequeños. El nuevo dispositivo, MultiLev, es una versión más controlable. Atrapa dos partículas de poliestireno y las hace chocar repetidamente.
El montaje incluye dos copas de Faraday enfrentadas, que miden la carga de una partícula colocada en su interior detectando la corriente que induce con un picoamperímetro sensible. Las copas están hechas de una malla metálica con una separación cuidadosamente elegida, de modo que las ondas sonoras usadas para la levitación las atraviesan. Esto permitió a los investigadores levitar cada partícula dentro de su propia copa, ajustar el campo acústico para juntar las partículas entre las copas y luego devolver cada partícula a su copa para medir la carga transferida en la colisión.
Pasos aleatorios, un total predecible
Al principio, la carga intercambiada en cada colisión parecía aleatoria, con valores que seguían una distribución normal sesgada. Pero a medida que el equipo provocaba más colisiones, surgió un patrón acumulativo claro: la carga de cada partícula aumentaba de forma constante al principio y después se estabilizaba hacia un máximo, un valor de saturación. «Esto concuerda con el modelo del condensador propuesto anteriormente, que trata la carga de las partículas como la de un condensador», dice O'Hara.
«Al establecer una relación clara entre las colisiones repetidas de partículas y la saturación de carga en un sistema controlado, ofrecemos una base útil para investigar la carga triboeléctrica en entornos más complejos», añade. Según la información de Physics World, este enfoque podría ayudar en última instancia a comprender la acumulación de carga en situaciones reales, lo que permitiría mejores predicciones de fenómenos meteorológicos extremos y normas de seguridad más fundadas para las industrias manufactureras. Más en nuestra sección de Ciencia.