Эта «микро-молния» может однажды быть использована для производства экологически чистой химии
Оторвите кусок скотча в темной комнате, и вы можете увидеть вспышку света. Это происходит потому, что отклеивающаяся лента выделяет энергию, которая создает крошечные искры. Это может показаться простым трюком. Но ученые доказали, что эта “микро-молния” обладает поразительной мощностью. На самом деле, она может быть достаточно мощной, чтобы вызывать химические реакции в воздухе.
Однажды такие микроискры могут помочь в производстве некоторых химических веществ более экологичным способом.
“Меня очень заинтересовала идея микроразрядов», — говорит Ричард Заре. Химик, он работает в Стэнфордском университете в Калифорнии. Недавно его команда продемонстрировала, что струи воды выделяют крошечные искры, которые могут стимулировать химические реакции. Сейчас, работая с Синьсин Чжан, химиком-физиком из Китая, его команда изучает микроразряды, возникающие при отрыве ленты.
Идея Чжана заключалась в использовании ленты. Отрывание ленты от рулона высвобождает видимый свет. Но Чжан знал, что он также, как ни странно, генерирует рентгеновские лучи. Ему было интересно, насколько высок этот электрический заряд и вызывает ли он химические реакции. Чтобы выяснить это, его команда из Нанькайского университета в Тяньцзине провела эксперимент.
Они начали с того, что поместили рулон липкой ленты на подшипник. С помощью двигателя они оторвали ленту и намотали ее на цилиндр. Попутно команда измерила напряженность электрического поля, создаваемого отслаивающейся лентой. Они также обратили внимание на любые изменения в химическом составе окружающего воздуха.
Тестовая лента
Тестовая установка натягивает ленту с рулона на цилиндр. Скорость вращения регулируется двигателем. Разматываемая лента закреплена на устройстве (XY-поступательная ступень), которое может перемещаться вперед и назад. Таким образом, точка отслаивания находится перед масс-спектрометром (расширенное входное отверстие MS), который определяет химические вещества, образующиеся при отслаивании и вступающие в реакцию с химическими веществами воздуха.
<загрузка изображения="ленивое" декодирование="асинхронное" width="600" height="450" src="https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/09/1030_microlightning_tape-set-up-2-600x450.jpg " alt="фотография тестовой установки, используемой в лаборатории" class="wp-image-3159338" srcset="https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/09/1030_microlightning_tape-set-up-2-600x450.jpg 600 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/09/1030_microlightning_tape-set-up-2-511x383.jpg 511 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/09/1030_microlightning_tape-set-up-2-248x186.jpg 248 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/09/1030_microlightning_tape-set-up-2-768x576.jpg 768 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/09/1030_microlightning_tape-set-up-2-774x580.jpg 774 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/09/1030_microlightning_tape-set-up-2-263x197.jpg 263 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/09/1030_microlightning_tape-set-up-2-560x420.jpg 560 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/2025/09/1030_microlightning_tape-set-up-2.jpg 1030 Вт" размеры="авто, (максимальная ширина: 600 пикселей) 100 Вт, 600 пикселей" />
Медленное отслаивание ленты со скоростью 12,5 сантиметров (5 дюймов) в секунду создавало малое электрическое поле. Но когда скорость двигателя увеличилась до 50 сантиметров (20 дюймов) в секунду, пространство, в котором лента покидала рулон, стало очень сильно заряженным. Группа Чжана подсчитала, что в этом крошечном пространстве напряжение составляло миллиард вольт на метр!
Это поразительное напряжение, которое намного превосходит то, которое обычно достигается в лаборатории, отмечает Заре. (Для сравнения, молния бьет из грозовой тучи при напряжении 3 миллиона вольт на метр. В эксперименте с лентой высокое напряжение проходит через слишком малое пространство, чтобы микроразряды могли причинить нам вред.)
Давайте узнаем о статическом электричестве.
Разрыв отслаивающейся ленты иллюстрирует трибоэлектрический эффект. Это процесс образования электрического заряда, когда материалы соприкасаются, а затем разделяются. Это похоже на статическое электричество, когда два предмета трутся друг о друга, а затем раздвигаются. Один предмет заряжается положительно, что означает, что он теряет электроны. Другой получает потерянные электроны и становится заряженным отрицательно. (Это может заставить отрицательно заряженный воздушный шар отталкивать электроны от стенки, а затем «прилипать» к положительно заряженной поверхности. Или он может испускать крошечный разряд электричества.)
Липкая лента, большие разряды
Трибоэлектрический эффект действует повсюду вокруг нас — в таких простых вещах, как скользящая дождевая капля и шорох нашей одежды. Но эксперимент с лентой создавал гораздо более высокое напряжение, чем большинство других повседневных трибоэлектрических экспериментов. Почему? Клейкая лента отрывалась от рулона рывками. Ученые называют это явление “прилипанием и соскальзыванием”. Это приводит к более высокому заряду, чем когда предметы просто трутся друг о друга или соприкасаются.
Сильное электрическое поле возникает только при быстром натягивании ленты, говорит Заре. Если это электрическое поле достаточно сильное, электроны с ленты ускоряются и сталкиваются с молекулами воздуха или другими молекулами в ленте. Это “приводит к возникновению искры, которая запускает химические реакции”, — говорит Заре. По его словам, эти электроны, проходящие между поверхностями ленты, могут создавать вокруг нее достаточно высокое напряжение, чтобы расщеплять молекулы в воздухе, превращая их в ионы.
Пояснение: Понимание электричества
Команда Заре повторила то, что сделала команда Чжана. На этот раз они также проверили, будут ли молекулы водяного пара в воздухе рядом с лентой распадаться и образовывать новые молекулы. Они это сделали.
Затем группа Заре поместила химические вещества, которые, как они предполагали, будут вступать в реакцию в виде паров, в электрическом поле рядом с отслаивающейся лентой. Это было сделано для проверки обычной реакции, используемой в промышленной химии. (Это тот случай, когда пиридин и йодистый метил вступают в реакцию с образованием чего-то нового.) Группа Заре сразу же обнаружила новые продукты, поскольку эти химические вещества вступили в реакцию.
Команда поделилась своими новыми выводами 25 июня в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
<загрузка iframe="ленивый" заголовок="Повязки светятся при открытии?! | ПОВСЕДНЕВНЫЕ ТАЙНЫ" width="500" height="281" src="https://www.youtube.com/embed/DIILDg2d3Yk?feature=oembed " frameborder="0" allow="акселерометр; автозапуск; запись в буфер обмена; зашифрованный носитель; гироскоп; картинка в картинке; веб-доступ" referrerpolicy="строгое происхождение, когда-перекрестное происхождение" allowfullscreen>
Изолента может привести к более экологичной химии
“Это потрясающее открытие”, — говорит Талаппил Прадип. Химик, он изучает трибоэлектричество в Индийском технологическом институте Мадраса в Ченнаи. По его словам, можно многое узнать о том, что происходит в крошечном пространстве, где отслаивающаяся лента впервые соприкасается с воздухом.Дэниел Лакс согласен с этим. Этот инженер-химик работает в университете Case Western Reserve в Кливленде, штат Огайо. “Люди обычно не смотрят на то, что происходит на таком маленьком расстоянии” между двумя почти соприкасающимися поверхностями, — говорит он. Его собственная работа была сосредоточена на частицах, которые приобретают электрический заряд после трения друг о друга. Лакс считает “очень крутым”, что электрические поля, создаваемые лентой, становятся настолько сильными, что могут стимулировать химические реакции.Симоне Чампи работает с трибоэлектрическими эффектами в Университете Кертина в Перте, Западная Австралия. Что его удивило, так это красота и простота нового эксперимента.Чампи отмечает, что управление химическими реакциями с помощью трибоэлектричества — это один из видов экологически чистой химии. Здесь электричество может выполнять работу, обычно выполняемую химическими веществами, которые могут быть токсичными. Таким образом, такой подход, заключает он, может быть более экологичным.Химические вещества часто вступают в реакцию в несколько этапов. Для некоторых из них может потребоваться разделение положительных и отрицательных зарядов в молекуле. Контролируя эти электрические заряды, вы можете управлять этапами реакции, чтобы в конечном итоге выбрать продукт, объясняет Чампи.Действительно, огромное количество химических реакций чувствительно к воздействию электрических полей. Но часто возникает проблема с использованием электрического поля для управления реакциями. Проблема, по словам Чампи, заключается в электропроводящих материалах, используемых для создания поля. Эти материалы могут влиять на химическую реакцию, что может помешать достижению желаемых результатов.
Вот почему компания Ciampi с энтузиазмом относится к этому новому исследованию. Это показывает, как материал, который не обладает электропроводностью, такой как лента, может создавать электрическое поле и управлять реакциями, не вмешиваясь в них. Это, по его словам, может открыть “совершенно новое пространство в химии”.
У вас есть научный вопрос? Мы можем помочь!
Отправьте свой вопрос здесь, и мы, возможно, ответим на него в следующем выпуске Science News Explorers
