고대 그리스의 철학자인 탈레스는 기원전 600년경, 호박을 천으로 문지르면 먼지 등을 끌어당긴다는 사실을 발견했는데, 이것이 정전기에 관한 첫 보고라고 하지만, 물건끼리 문지르면 정전기가 발생하는 마찰 대전의 구조에 대해서는, 발견 후 2000년 이상이 경과한 현대에도 알려져 있지 않았다. 그런 마찰 대전이 발생하는 이유에 대해서, 노스웨스턴 대학 연구팀이 처음으로 설명하는 데 성공했다.
정전기는 매우 친숙해, 어릴 적에 문지른 책받침으로 머리카락을 곤두세운 적이 있는 사람은 많을 것이다. 이렇게 서로 다른 두 종류의 물질을 서로 문지르면 한쪽에서 다른 쪽으로 전하가 이동하여 전기가 발생하는 현상을, 마찰대전이라고 부른다.
마찰 내전의 존재 자체는 탈레스 시대부터 알려져 있었지만, 그 구체적인 메커니즘에 대한 설명은 없었는데, 로렌스 마크스 노스웨스턴대 공대 명예교수는 "탈레스 이후 모피뿐만 아니라, 모든 절연체에서 마찰에 의해 정전기가 대전된다는 사실이 밝혀졌습니다. 그러나, 과학적인 합의는 많든 적든 여기서 끝나 버렸습니다"라고 말하고 있다.
연구팀은 2019년 논문에서, 두 재료를 서로 문지르면 그 표면에 있는 미세한 돌기가 변형되고, 이 변형으로 인해 전압이 발생한다는 것을 발견.
그리고 새로운 논문에서, 연구팀은 더 자세히 이 현상을 설명했는데, "2019년에 우리는 무슨 일이 일어나고 있는지 알기 위한 씨앗을 얻었습니다. 하지만 모든 종이 그렇듯 성장하는 데는 시간이 필요했습니다. 그리고 이제 씨앗은 꽃피었습니다. 우리는 전류를 계산하는 새로운 모델을 개발했고, 다양한 케이스의 전류값이 실험 결과와 잘 일치했습니다."라고 언급.
연구팀이 주장하는 새로운 모델의 중심에 있는 것은, 물체가 미끄러질 때 생기는 변형에 저항하는 능력인 "elastic shear(전단탄성)"라는 개념으로, 전단 탄성이 있는 것에 의해, 테이블 위에서 트레이나 책을 미끄러뜨려도 손을 떼면 바로 멈춰 버린다는...
두 재료를 서로 문지르면, 전단탄성으로 인해 재료의 전면과 후면에서 다른 탄성 변형이 생기고, 분극과 그에 따른 전하가 다르기 때문에, 전류의 흐름이 발생한다고 연구팀은 설명. 이 모델은 마찰대전의 모든 측면을 설명하는 것은 아니지만, 주요 문제를 해결하는 것이라는 것.
연구팀은 "우리는 처음으로, "왜 물체를 문지르는 것이 중요한가"라는 그동안 아무도 설명하지 못했던 수수께끼를 풀어냈습니다. 그동안에도 사람들은 시행착오를 거듭했지만, 정당화할 수 없는 가설이 없으면 실험 결과를 설명할 수 없었습니다. 그 대답은 놀라울 정도로 간단했어요. 문지르는 물건의 겉과 속이 변형되어 다른 전하를 갖기만 하면, 전류가 흐르는 것입니다"라고 설명.
정전기는 책받침으로 머리카락을 곤두세우는 놀이에도 사용되는 친숙한 현상이지만, 정전기의 방전에 의한 불꽃이 산업 화재나 폭발을 일으키거나 분말 의약품의 도포를 방해하기도 한다. 정전기의 메커니즘을 보다 잘 이해함으로써, 연구자가 이러한 문제를 해결하는 새로운 방법을 생각해 낼 가능성이 있다는 것.
연구팀은 "정전기는 단순한 방법이든 심원한 방법이든, 삶에 영향을 주고 있습니다. 예를 들어, 입자에 정전기가 대전되는 것이 커피 원두를 끄는 방법과 맛에 영향을 줍니다. 또한 정전기로 인해 입자가 충돌하고, 그 덩어리가 행성이 되는 중요한 단계가 없었다면 아마 지구는 행성이 되지 못했을 것입니다. 우리 생활의 어느 정도 부분이 정전기에 닿아 있고, 우주의 어느 정도 부분이 정전기에 의존하고 있는지를 생각하면 그것은 놀라운 것입니다"라고 코멘트.