Physik: Flickenteppich aus Ladungen

Dass sich ein Luftballon durch Reiben an den Haaren elektrisch aufladen lässt, weiß jedes Schulkind. Bekannt ist das Phänomen der Reibungs- oder Kontaktelektrizität seit mehr als 2500 Jahren. Der griechische Naturphilosoph Thales von Milet untersuchte es, indem er Wolle und Bernstein aneinanderrieb. Seit Jahrhunderten gibt es eine Erklärung dafür: Durch den Kontakt gehen Elektronen von dem einen Stoff zum anderen über. Weil einer der Stoffe gleichsam „gieriger“ auf die Elektronen ist als der andere, lädt sich dieser negativ auf, während der andere eine positive Ladung annimmt. Doch diese Erklärung stimmt nicht, schreiben Physiker von der Universität Evaston (Illinois) im Fachblatt „Science“.

Bartosz Grzybowski und Kollegen untersuchten, wie die Ladungen auf verschiedenen Kunststoffen, Aluminium und Silizium verteilt sind, nachdem diese zuvor durch Kontakt mit einem anderen Material aufgeladen worden waren. Sie nutzten dafür ein „Raster-Kelvin-Mikroskop“, das extrem detailliert erfasst, wie Ladungen auf Oberflächen verteilt sind. Dabei fanden sie auf jeder Oberfläche einen Flickenteppich aus positiv und negativ geladenen Bereichen, deren Durchmesser ungefähr zehn Nanometer (Millionstel Millimeter) betrugen. Das steht im Gegensatz zur bisherigen Annahme, wonach die eine Oberfläche eine gleichmäßige positive und die jeweils andere eine gleichmäßige negative Ladung trägt.

Die Physiker stellten außerdem fest, dass sich 1000 Mal mehr Ladung auf den Oberflächen befand als bislang angenommen. Das liegt daran, dass sich die negativ und positiv geladenen Flicken gegenseitig neutralisieren. Es gibt je nach Oberfläche nur einen kleinen positiven oder negativen Ladungsüberschuss, der makroskopisch gesehen nach außen hin als eine gleichmäßige Ladung erscheint.

Beim Kontakt werden nicht nur Elektronen, sondern auch Material ausgetauscht. Auf einem Kunststoff fanden die Physiker nämlich Silizium, nachdem das Material Kontakt mit einer siliziumhaltigen Oberfläche hatte. Offenbar werden bei der Kontaktelektrizität chemische Bindungen gebrochen und Ionen (elektrisch geladene Atome) von einer auf die andere Oberfläche transportiert.