Kontaktelektrizität birgt Überraschungen

Kontaktelektrizität birgt Überraschungen

Auf Plastikoberflächen entstehen komplizierte Ladungsmuster.

Bringt man zwei unterschiedliche nichtleitende Materialien miteinander in Kontakt und trennt sie wieder voneinander, so laden sie sich elektrisch entgegengesetzt auf. An Bernstein und Wolle wurde diese Kontaktelektrizität schon im antiken Griechenland beobachtete. Eine wirklich schlüssige Erklärung konnte man für diese Erscheinung bisher nicht geben. Jetzt zeigen Experimente mit Plastikoberflächen, dass die Kontaktelektrizität wesentlich komplexere Ursachen hat, als man bisher vermutete.

Eine naheliegende Erklärung der Kontaktelektrizität geht davon aus, dass unterschiedliche elektrische Isolatoren an ihrer Oberfläche Ladungen unterschiedlich stark anziehen. Berühren sich zwei solche Materialien, so lädt sich demnach das eine positiv und das andere negativ auf, wobei die Ladungen gleichmäßig über die Oberflächen verteilt sind. Doch diese Erklärung stößt auf Probleme. So ist es bisher nicht gelungen, unterschiedliche Materialien aufgrund ihrer kontaktelektrischen Eigenschaften in eine Reihenfolge zu bringen, aus der sich entnehmen ließe, welches von zwei einander berührenden Materialien sich negativ auflädt. Kürzlich haben Bartosz Grzybowski und seine Kollegen an der Northwestern University in Evanston nachgewiesen, dass Kontaktelektrizität sogar zwischen Oberflächen aus demselben Material auftritt.

Nun haben sich die Forscher um Grzybowski die Oberflächenladungen, die bei der Kontaktelektrizität auftreten, genauer angeschaut und dabei überraschende Beobachtungen gemacht. Sie haben Oberflächen aus unterschiedlichen Kunststoffen wie Polydimethylsiloxan (PDMS) oder Polytetrafluoroethylen (PTFE) für Sekunden bis Stunden in Kontakt gebracht, voneinander getrennt und anschließend durch Kelvin-Kraftmikroskopie (einer Form der Rasterkraftmikroskopie) die Ladungsverteilung auf den Oberflächen untersucht.

Dabei stellte sich heraus, dass auf den beiden voneinander getrennten Oberflächen sowohl positive als auch negative Ladungen saßen, die ein kompliziertes Mosaik bildeten. Auf einer Oberfläche überwogen indes die negativen Ladungen, auf der anderen die positiven. Auch bei zwei PDMS-Oberflächen, die sich durch Berührung entgegen gesetzt geladen hatten, traten solche Ladungsmosaike auf. In allen Fällen lag die lokale Ladungsdichte im Bereich von µC/cm², während die mittlere Ladungsdichte nur nC/cm² betrug. Bei der Kontaktelektrizität werden also wesentlich größere Ladungsmengen voneinander getrennt, als man es aufgrund der Gesamtladungen auf den Oberflächen vermutet hatte.

Die Ladungsmosaike verblassten im Laufe der Zeit, ohne dabei jedoch unscharf zu werden. Die Forscher schließen daraus, dass die Oberflächenladungen nicht diffundierten und sich dadurch ausgeglichen hatten. Vielmehr hatten sich die Oberflächen über die mit ihnen kollidierten Luftmoleküle entladen. Eine fraktale Analyse der Mosaike zeigte, dass unterschiedliche Oberflächenmaterialien sehr ähnliche Ladungsmuster ergaben. Dabei waren zwei Längenskalen um 0,45 µm und 0,044 µm ausgezeichnet.

Schließlich haben Bartosz Grzybowski und seine Kollegen untersucht, ob sich durch den Kontakt der Oberflächen auch deren chemische Struktur und Zusammensetzung geändert hatten. Durch Raman-Mikroskopie und -Spektroskopie stellten sie fest, dass es an zwei voneinander getrennten PDMS-Oberflächen tatsächlich zu chemischen Veränderungen gekommen war: Es traten u. a. Raman-Signale für SiCH₂COOH und SiCOOH, die vorher noch nicht dagewesen waren. Die Bereiche der Oberfläche, in denen diese chemischen Veränderungen auftraten, bildeten ebenfalls ein Mosaik.

Mit Röntgen-Photoelektronenspektroskopie gingen die Forscher der Frage nach, ob beim Kontakt zwischen einer PDMS- und einer PTFE-Oberfläche Material ausgetauscht wurde. Dabei nutzten sie aus, dass PDMS Silizium aber kein Fluor enthält, während es bei PTFE umgekehrt ist. Die Analyse ergab, dass nach Kontakt und Trennung die PDMS-Oberfläche Fluor enthielt und die PTFE-Oberfläche mit Silizium verunreinigt war. Es hatte also tatsächlich ein Materialtransfer stattgefunden.

In Zukunft wollen die Forscher herausfinden, wie die Polarität der Ladungsflecken im Mosaik von den dort gebrochenen chemischen Bindungen abhängt und ob der Vorgang der Materialübertragung die mikroskopische Längenskale des Mosaiks festlegt. Die Kontaktelektrizität ist offenbar ein wesentlich komplizierterer und auch interessanterer physikalischer Prozess als man bisher gedacht hatte.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung
  H. T. Baytekin et al.: The Mosaic of Surface Charge in Contact Electrification. Science, online 23.6.2010
  doi: 10.1126/science.1201512
• Gruppe von Bartosz Grzybowski an der Northwestern University in Evanston, Illinois

KK