Oberflächen zeigen Mosaik aus positiven und negativen Ladungsfeldern

Evanston (USA) - Frisch gekämmt sind längere Haare oft kaum zu bändigen. Verantwortlich dafür sind die Anziehungskräfte zwischen elektrisch positiven und negativen Ladungen, deren Verteilung auf Oberflächen US-Forscher nun erstmals genau analysiert haben. Ihr Ergebnis zeigt: Die bisherige Annahme einer strikten Trennung von negativer und positiver Ladung ist falsch. Vielmehr ordnen sich die entgegengesetzten Ladungen nebeneinander in mosaikartigen Feldern an. Ihre Studie, die auch das lange verstanden geglaubte Alltagsphänomen elektrostatisch aufgeladener fliegender Haare neu erklärt, präsentieren sie in einer Vorabveröffentlichung der Zeitschrift "Science".

Jedes Kind hat schon mal seinen Luftballon an Wolle gerieben und ließ damit seine Haare zu Berge stehen. Die einfache Erklärung bisher: Durch das Reiben wandern negativ geladene Elektronen vom Ballon zur Wolle und führen zu einer rein positiv geladenen Ballon-Oberfläche, die die negativ geladenen Haare oder Wollfasern anzieht. Dieses Experiment funktioniert mit vielen elektrisch nicht leitenden Materialien wie Kunststoff oder Bernstein, die auch Dielektrika genannt werden. Bartosz Grzybowski und seine Kollegen von der Northwestern University in Evanston beobachteten dieses Phänomen nun im Versuch und untersuchten die erzeugten elektrostatischen Ladungen auf Proben aus Silikon und Kunststoffen wie Polycarbonat ganz genau mit einem so genannten Kelvinkraftmikroskop.

Bis auf wenige Millionstel Millimeter (10 Nanometer) konnten die Forscher mit der Mikroskopspitze negative und positive Ladungen auf den Kunststoffoberflächen messen und lokalisieren. Ihr überraschendes Ergebnis: Auf ihren Proben fanden sie nicht - wie bisher angenommen - negative und positive Ladungen klar voneinander getrennt. Vielmehr existierten auf allen Oberflächen beide Ladungsarten nebeneinander - in vielen Ladungsinseln mosaikartig angeordnet. Nur in der Summe aller Ladungen, die mit Hilfe eines Faradayschen Bechers und eines Elektrometers gemessen wurden, überwogen entweder die negativen oder positiven Ladungsträger. Doch auch dies reichte für die elektrostatische Anziehung von Haaren oder Wollfasern aus.

Mit diesem Experiment konnten Grzybowski und Kollegen nicht nur ein altbekanntes Alltagsphänomen besser erklären. Da elektrostatische Aufladungen auch in Fotokopierern oder Laserdruckern genutzt werden, könnte das neue Wissen auch zu optimierten Prozessen in diesen Geräten führen.