Две микроскопические песчинки сталкиваются и образуют крошечную искру. Возможно, именно это явление источник энергии для зарождения жизни. Но если эти твердые частицы имеют одинаковый состав, то какой фактор заставляет заряд двигаться в определенном направлении? В исследовании, опубликованном в Nature, физики из Австрийского института науки и технологий (ISTA) определили, что ключевым фактором являются молекулы содержащие углерод из окружающей среды, которые прилипают к поверхности материалов.
Что общего между пыльными бурями в Сахаре, вулканическими молниями и аккреционными дисками из вещества, вращающегося вокруг звезды? В основе этих явлений лежит крошечная искра, передающая заряд.
Еще в 1950-х годах ученые предположили, что энергия вулканических молний могла способствовать превращению первичных молекул в первые аминокислоты — строительные блоки белков.
Подобные взаимодействия — обычное явление в природе. Однако ученые до сих пор не могли определить, что заставляет заряды перетекать в определенном направлении между изолирующими твердыми телами. Теперь исследователи из группы Скотта Вайтукайтиса, доцента Института науки и технологий Австрии (ISTA), нашли недостающий элемент головоломки: молекулы углерода на поверхности материалов.
Чтобы решить эту проблему, бывший постдокторант Института теоретической физики им. Макса Планка Галиен Грожан, первый автор исследования, выбрал кремнезем — один из самых распространенных твердых материалов во Вселенной. Однако его измерения оказались сложнее, чем он ожидал: заряд менялся при малейшем контакте с любой поверхностью, включая стандартные лабораторные инструменты, такие как пинцет. Как же ему было изучать контакт и перенос заряда, даже не прикасаясь к материалам?
Решение заключалось в разработке экспериментальной системы на основе акустической левитации для управления отдельным зерном без физического контакта. Отбивая зерно от пластины из того же материала, Грожан мог точно измерить перенос заряда до и после этого контролируемого контакта. Проделав это несколько раз с каждым образцом, он обнаружил, что одни образцы постоянно заряжаются положительно, а другие — отрицательно.
Ученые из ISTA изучали различные подходы, чтобы объяснить полученные результаты и обратить вспять естественную тенденцию, наблюдаемую в образцах. Согласно предыдущим моделям, поверхность материалов должна была быть покрыта случайными элементами.
«Сначала я думал, что мы подтвердим эту модель и двинемся дальше. Мы предполагали, что случайные флуктуации со временем сойдут на нет по мере того, как зерна будут вращаться и соприкасаться с разными крошечными участками», — сказал Вайтукайтис.
Однако образцы демонстрировали четкую и последовательную картину распределения заряда. Параллельно с этим команда изучала потенциальную роль влажности и молекул воды, которые адсорбируются на поверхности материалов, на основе других ведущих моделей.
«Мы долгое время зацикливались на воде, и это привело к множеству неверных шагов, — говорит Вайтукайтис. — Мы воспринимали ведущие теории в этой области как данность, и они сбивали нас с пути. Нам нужно было время, чтобы обрести уверенность в том, что реальность иная».
Команда продолжала тестировать новые условия, пока Грожан не решил подвергнуть некоторые образцы термической обработке. Эти «пропеченные» образцы сразу же продемонстрировали явный эффект: после контакта с ними они стабильно заряжались отрицательно.
«Поскольку кварцевое стекло очень устойчиво к термическим изменениям, тепло не влияет на сам материал. Поэтому мы предположили, что любые изменения должны быть вызваны молекулами, адсорбированными на поверхности материала», — говорит он.
Параллельный эксперимент, в ходе которого поверхность образцов была очищена с помощью плазмы, показал тот же результат.
«На этом этапе мы начали сотрудничать с другими группами, которые изучают поверхности материалов и могут точно измерить состав поверхности, чтобы сравнить образцы до и после обжига, — говорит Грожан. — Тогда мы и обнаружили, что такая обработка лишает материалы естественного покрытия из различных видов молекул с углеродом».
«Мы знали, что углерод играет важную роль, но это еще не было неопровержимым доказательством», — говорит он.
Затем исследователи изучили, как меняется эффект заряда после обжига или обработки плазмой, и обнаружили, что он ослабевает в течение суток.
«Параллельно с этим наши коллеги показали, что за тот же период углерод возвращается на поверхность материалов, что значительно усиливает корреляцию», — отмечает Грожан.
Для сравнения: молекулы воды гораздо быстрее возвращались на поверхность материалов. Эти эксперименты подтвердили, что причиной является углерод из окружающей среды.
Затем ученые из ISTA решили выяснить, влияет ли углерод из окружающей среды на заряд других изоляционных оксидов, помимо кремнезема, в том числе оксида алюминия, шпинели и диоксида циркония.
После стандартной очистки, при которой с поверхности не удаляются адсорбированные углеродные соединения, эти материалы естественным образом выстраиваются в так называемый трибоэлектрический ряд — от наиболее положительно заряженных к наиболее отрицательно заряженным после контакта.
Хотя это говорит о том, что материалы обладают присущими им свойствами, ученые предположили, что свою роль сыграло и углеродное покрытие. Исследуя каждую пару материалов и удаляя поверхностный слой с того, который от природы заряжен более положительно, при этом не затрагивая другой, они смогли изменить полярность всей серии.
Таким образом, явный дисбаланс в углеродном покрытии помог исследователям продемонстрировать, что углеродный эффект может перевешивать присущие материалам свойства.
Вайтукайтис рассказывает о трудностях, с которыми столкнулась команда.
«Эти эксперименты действительно сложны. Углеродное покрытие никогда не находится в состоянии равновесия; даже один монослой углерода уже меняет ситуацию, а материалы чувствительны к малейшему прикосновению, — говорит Вайтукайтис. — Вот почему это явление так долго оставалось необъяснимым».
Используя экспериментальную установку на основе акустической левитации, команда ISTA не только решила проблему нежелательного контакта, но и добилась чрезвычайно высокой точности измерений с разрешением в 500 электронов.
Статическое электричество, возникающее между изолирующими оксидами, не ограничивается микроскопическими частицами. Оно настолько распространено в природе, что могло стать причиной зарождения жизни и, возможно, даже формирования планет.
«Большинство таких материалов в природе представляют собой мелкие частицы размером менее одного миллиметра. Они заряжаются при столкновении, трении и перекатывании друг о друга. Вот почему заряжаются песок в пустыне, облака вулканического пепла и частицы пыли», — говорит Вайтукайтис.
Благодаря этим открытиям ученые теперь могут ответить на более серьезные вопросы, например о том, происходит ли это явление в местах зарождения планетных систем.
«Некоторые современные модели формирования планет основаны на преобладании эффекта заряда, — заключает Вайтукайтис. — Таким образом, наше исследование, возможно, пролило свет на механизм, лежащий в основе искр творения. »
Галиен Грожан, «Примесный углерод нарушает симметрию при электризации оксидных контактов», Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-10088-w. www.nature.com/articles/s41586-025-10088-w