Jika Anda berjalan melintasi karpet dengan kaus kaki wol, ada peluang bagus bahwa gagang pintu berikutnya yang Anda sentuh akan mengejutkan Anda dengan percikan api. Listrik statis sangat umum sehingga mudah untuk melupakan betapa anehnya itu.
Tetapi apa yang sebenarnya terjadi ketika Anda menemukan percikan api itu?
Filsuf dan ahli matematika Yunani kuno Thales of Miletus adalah yang pertama menggambarkan listrik statis, pada abad keenam SM, tetapi para ilmuwan telah berjuang selama beberapa dekade untuk menjawab pertanyaan mendasar itu. Namun, para peneliti yang bekerja di skala nano baru saja membuat langkah besar ke depan dalam upaya untuk memahami mengapa menggosok dua permukaan secara bersamaan dapat menyebabkan kejutan.
Tidak peduli seberapa halus permukaannya, ketika Anda memperbesar cukup dekat, Anda akan melihat benjolan dan lubang. Para ilmuwan menyebut ketidaksempurnaan ini "ketidakpercayaan". Setiap permukaan, mulai dari balon hingga serat seperti wol atau rambut, tertutup oleh mikroskopis. Dan fitur-fitur ini bertanggung jawab untuk menghasilkan listrik statis, kata Christopher Mizzi, seorang kandidat doktor dalam ilmu dan teknik material di Northwestern University di Evanston, Illinois.
Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan pada bulan September di jurnal Physical Review Letters, Mizzi dan rekan penulisnya membandingkan ketidaksempurnaan yang tidak terlihat pada benda sehari-hari dengan permukaan Bumi. Jika Anda melihat Bumi dari jauh, planet ini "terlihat sangat halus, seperti bola yang sempurna," kata Mizzi. Kita tahu, bagaimanapun, bahwa pada kenyataannya, Bumi jauh dari mulus, tetapi Anda harus melihatnya dengan cermat untuk melihatnya. Hanya ketika "Anda memperbesar cukup jauh Anda melihat ada gunung dan bukit," katanya. Demikian pula, benda-benda yang akrab terlihat halus sampai dilihat dari dekat.
Ketika permukaan dua benda saling bergesekan, kekasarannya saling mengikis, menciptakan gesekan. Para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa gesekan berperan dalam listrik statis. (Faktanya, istilah ilmiah untuk listrik statis, triboelectricity, berbagi akar dengan tribologi, yang merupakan studi tentang gesekan.)
Dalam studi baru, Mizzi dan rekan penulisnya menunjukkan bagaimana kekasaran yang menyebabkan gesekan juga menyebabkan perbedaan yang mengejutkan dalam muatan listrik.
Sesuatu yang tidak biasa tentang listrik statis adalah paling mudah diproduksi menggunakan bahan pembatas listrik yang dikenal sebagai isolator; ini termasuk karet, wol, dan rambut. Dalam arus listrik - bentuk listrik sehari-hari yang memberi daya pada telepon, lampu, dan hampir semua elektronik lainnya - elektron menciptakan arus dengan mengalir melintasi atom dalam bahan konduktif, seperti kawat tembaga. Tetapi atom isolator tidak membiarkan elektron datang dan pergi dengan mudah; mereka mendapatkan namanya dengan menghambat aliran elektron.
Mizzi dan rekan-rekannya menemukan bahwa listrik statis dihasilkan ketika kekesalan dalam isolator saling bergesekan dan mengganggu awan elektron. Karena elektron dalam isolator tidak dapat bergerak dengan mudah, gosokan itu dapat membuat awan elektron tidak berbentuk.
Dalam materi tersebut, awan elektron di sekitar atom biasanya simetris. Ketika Anda melihat awan-awan ini, Anda "tidak bisa membedakan dari bawah, kiri dari kanan," kata Mizzi.
Tetapi jika Anda menekan awan elektron itu, itu berubah bentuk, menjadi asimetris. Dalam keadaan yang tepat, bentuk baru itu dapat mendistribusikan tegangan secara tidak merata di seluruh material, Mizzi menjelaskan.
Apa hubungannya ini dengan kaus kaki wol di atas karpet? Saat Anda berjalan dengan alas kaki seperti itu, kombinasi dari berat tubuh Anda dan gerakan langkah Anda menyebabkan serat-serat di kaus kaki Anda meluncur ke serat-serat di karpet. Ketika kedua bahan saling bergesekan seperti ini, gundukan pada satu permukaan menyeret sepanjang kekasaran pada permukaan yang berlawanan, menyebabkan mereka menekuk. Ketika pembengkokan ini terjadi, awan-awan elektron dalam atom-atom yang membentuk asperitas itu bisa terjepit menjadi bentuk-bentuk asimetris, menyebabkan perbedaan tegangan yang sangat, sangat kecil.
Meskipun kecil, perubahan tegangan ini bertambah. Asperitas sangat banyak sehingga pengekangan awan elektron menyebabkan penumpukan signifikan listrik statis - yang cukup kuat untuk Anda rasakan ketika Anda menyentuh kenop pintu atau menjabat tangan seseorang.
Pemahaman yang baru ditemukan tentang listrik statis ini dapat memengaruhi para ilmuwan mengembangkan kain yang menghasilkan daya gesekan untuk mengisi daya perangkat yang dapat dipakai, yang dapat membuat produk lebih efisien. Dan dengan pemahaman yang lebih baik tentang bahan yang gagal menghasilkan listrik statis dengan mudah, insinyur dapat bekerja untuk menciptakan lingkungan manufaktur yang lebih aman, misalnya dengan menghilangkan partikel debu yang dapat memicu kebakaran dengan saling bergesekan.
"Ketika Anda memiliki model, Anda dapat mulai membuat prediksi," kata Mizzi.
