Физики десятилетиями не могли понять, как два абсолютно одинаковых кусочка материи при столкновении могут обмениваться зарядом и высекать искры — будь то в марсианской буре или в протопланетном облаке. Оказалось, ответ буквально витает в воздухе: всё дело во вездесущей невидимой углеродной пыли, покрывающей всё вокруг.
Со школьной скамьи мы знаем, как работает статическое электричество: если потереть воздушный шарик о волосы, электроны перебегут с одного материала на другой. Всё логично — материалы разные, один охотнее отдает электроны, другой забирает. Но в природе полно ситуаций, когда мощнейшие электрические разряды возникают при столкновении совершенно одинаковых частиц.
Песчаные бури в Сахаре, облака пепла при извержении вулканов, пылевые вихри на Марсе (где марсоход Perseverance недавно мог зафиксировать следы молний) и даже протопланетные диски вокруг молодых звезд — везде мы видим электризацию. Когда две одинаковые пылинки сталкиваются, одна почему-то заряжается положительно, а другая отрицательно. Физики называют это «проблемой симметрии». До сих пор никто толком не понимал, как это работает: если два объекта идентичны по химическому составу, с чего бы заряду течь строго в одном направлении?
Разгадать эту загадку взялись физики Скотт Вайтукайтис (Scott Waitukaitis) и Гальен Грожан (Galien Grosjean) из Австрийского института науки и технологий (ISTA). Для тестов они выбрали диоксид кремния (кварцевое стекло) — один из самых распространенных твердых изоляторов во Вселенной.
Но с самого начала всё пошло не так. Оказалось, что изучать контактную электризацию микрообъектов чертовски сложно: малейшее прикосновение к образцу, даже самым чистым лабораторным пинцетом, мгновенно меняло его заряд. Песчинки оказались настолько недотрогами, что ученым пришлось полностью исключить физический контакт с инструментами.
На помощь пришла акустическая левитация. Физики заставили микроскопическую сферу из диоксида кремния парить в воздухе на звуковых волнах и сталкиваться с такой же кварцевой пластиной. Никаких рук, никаких пинцетов — только чистая левитация.
Даже в идеальных бесконтактных условиях кварц продолжал вести себя непредсказуемо, пока Грожан не решил хорошенько «прожарить» образцы в печи при 200°C или обработать их плазмой. И тут произошла магия: очищенный таким образом шарик при ударе о неочищенную пластину всегда заряжался отрицательно.
Оказалось, что в природе не бывает «голых» материалов. Любая поверхность, контактирующая с атмосферой, мгновенно покрывается микроскопическим слоем молекул углерода из окружающей среды. В науке это изящно называют adventitious carbon (случайный, или адвентивный углерод), а сами авторы исследования в шутку окрестили его «углеродным пирогом» (carbon cake) или просто вездесущей грязью.
Именно этот невидимый слой углеродных молекул, а не сам оксид кремния, забирает или отдает электроны при столкновении. Поскольку слой нарастает неравномерно и находится в постоянном изменении, две с виду идентичные песчинки на микроуровне оказываются совершенно разными — отсюда и берется разность потенциалов.
Еще в 1950-х годах ученые предполагали, что электрические разряды (молнии) могли превратить первичный «бульон» из простых молекул в первые аминокислоты — кирпичики жизни на Земле. Теперь мы знаем, что главным двигателем этих вулканических и пылевых молний были именно покрытые углеродом песчинки и пепел.
Более того, статическое электричество, возникающее по этому же принципу, работает как космический клей. В протопланетных дисках вокруг молодых звезд именно статика заставляет микроскопические частицы пыли притягиваться друг к другу. Без этого эффекта они бы просто разлетались в стороны или падали на звезду, и планеты (включая нашу Землю) никогда бы не сформировались.
Мы привыкли искать разгадки космических тайн в сложных моделях или экзотических состояниях материи. Но иногда ответ оказывается гораздо прозаичнее. Могучие вулканические молнии, слипание планет в пустоте космоса и, возможно, даже первый энергетический толчок к возникновению жизни на Земле — всё это стало возможным просто потому, что в природе ничто не может долго оставаться идеально чистым.
Читайте также: Разгадана тайна происхождения сложной жизни: устойчивые к кислороду археи Асгарда могут объяснить появление эукариот
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.
