Νέα μελέτη αποκαλύπτει γιατί όμοια σωματίδια αποκτούν αντίθετα φορτία, φωτίζοντας τον μηχανισμό πίσω από ένα από τα πιο εντυπωσιακά φυσικά φαινόμενα.
Το μυστήριο γύρω από τη δημιουργία των ηφαιστειακών αστραπών φαίνεται πως βρίσκει επιτέλους απάντηση, καθώς φυσικοί κατάφεραν να εξηγήσουν ένα θεμελιώδες ερώτημα: γιατί σωματίδια του ίδιου υλικού, όταν τρίβονται μεταξύ τους, αποκτούν διαφορετικά ηλεκτρικά φορτία;
Το φαινόμενο αυτό συνδέεται με την ανταλλαγή ηλεκτρικού φορτίου κατά την επαφή δύο αντικειμένων, γνωστή ως τριβοηλεκτρικό φαινόμενο το ίδιο που κάνει τα μαλλιά να «σηκώνονται» όταν τρίβονται με ένα μπαλόνι.
Στην περίπτωση των ηφαιστείων, σωματίδια τέφρας από διοξείδιο του πυριτίου συγκρούονται μέσα σε ένα στροβιλιζόμενο νέφος, ανταλλάσσοντας φορτία. Στη συνέχεια, τα θετικά και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια διαχωρίζονται και, όταν δημιουργηθεί ροή ρεύματος μεταξύ τους, παράγεται η χαρακτηριστική αστραπή.
Παρά τη γνώση αυτή, οι επιστήμονες δεν μπορούσαν μέχρι σήμερα να εξηγήσουν τι «σπάει» τη συμμετρία μεταξύ δύο πανομοιότυπων σωματιδίων και καθορίζει αν το φορτίο θα κινηθεί προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση.
«Υπάρχουν πολλοί πιθανοί παράγοντες», εξηγεί ο φυσικός Γκαλιέν Γκροζάν, που σήμερα εργάζεται στο Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης. «Η υγρασία, η τραχύτητα ή η κρυσταλλική δομή έχουν προταθεί ως εξηγήσεις». Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της εργασίας του στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Αυστρίας στο Κλόστερνοϊμπουργκ, ο ίδιος υποψιάστηκε ότι η απάντηση ίσως βρίσκεται σε μόρια που περιέχουν άνθρακα και καλύπτουν την επιφάνεια των σωματιδίων ουσίες που είναι πανταχού παρούσες στο περιβάλλον και τις οποίες οι επιστήμονες υλικών συνήθως προσπαθούν να απομακρύνουν ως «ρύπους».
Για να εξετάσει την υπόθεση, η ερευνητική ομάδα παρακολούθησε συστηματικά την επίδραση του καθαρισμού στα δείγματά της. Με τη χρήση υπερήχων, αιώρησαν ένα μικρό σωματίδιο διοξειδίου του πυριτίου, το άφησαν να προσκρούσει σε μια πλάκα από το ίδιο υλικό και μέτρησαν το φορτίο του. «Το σωματίδιο μπορούσε να φορτιστεί είτε θετικά είτε αρνητικά. Αν ήταν θετικό, το ψήναμε ή το καθαρίζαμε και επαναλαμβάναμε το πείραμα και τότε γινόταν αρνητικό», περιγράφει ο Γκροζάν.
Η ανάλυση των δειγμάτων έδειξε ότι ο καθοριστικός παράγοντας ήταν πράγματι η απομάκρυνση των μορίων που περιέχουν άνθρακα. «Διαπιστώσαμε ότι αυτό το φαινόμενο υπερισχύει όλων των άλλων», σημειώνει.
Ένα ακόμη κρίσιμο στοιχείο ήταν ότι τα καθαρισμένα δείγματα αποκτούσαν ξανά θετικό φορτίο μέσα σε περίπου μία ημέρα χρονικό διάστημα στο οποίο η επιφάνειά τους καλυπτόταν εκ νέου από μόρια άνθρακα που υπάρχουν στον αέρα.
Ο φυσικός Ντάνιελ Λακς από το Πανεπιστήμιο Case Western Reserve στο Κλίβελαντ δηλώνει εντυπωσιασμένος από τα ευρήματα. «Γνωρίζουμε ότι οι επιφάνειες έχουν πάνω τους πολλά κατάλοιπα, αλλά δεν είχα ξαναδεί αυτό να παίζει ρόλο στο τριβοηλεκτρικό φαινόμενο», αναφέρει.
Παρά τη σημαντική πρόοδο, η ανακάλυψη ενδέχεται να δυσκολέψει περαιτέρω τους επιστήμονες. Αν η παρουσία άνθρακα καθορίζει την κατεύθυνση του φορτίου, τότε η ακριβής πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο φορτίζονται τα σωματίδια γίνεται εξαιρετικά περίπλοκη. «Η πρόβλεψη ίσως να μην καταστεί ποτέ δυνατή», προειδοποιεί ο Λακς.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature (DOI: 10.1038/s41586-025-10088-w), ρίχνοντας νέο φως σε ένα εντυπωσιακό φυσικό φαινόμενο που για χρόνια παρέμενε ανεξήγητο.
Με πληροφορίες από το New Scientist
