Всегда полезно перечитывать классику, и Филип Бенис с коллегами, несомненно, с этим согласится. Их расширение знаменитого эксперимента с частицами Роберта Милликена позволило беспрецедентное разрешение индивидуальных событий по зарядке и разрядке на поверхности твердое/жидкость.

В экспериментах Милликена вековой давности заряженные капли масла помещались в электрическом поле и были уравновешены двумя силами, а именно электрической и силой тяжести. В результате можно определить заряд капли, висящей в воздухе, зная ее массу.

Рис. 1. (а) Схема эксперимента, (b) амплитуда движения во временном окне 20 с и положение частицы в течение двух временных окон 40 мс (вставки), (с) амплитуда движения в течение всего 3000 с измерения одной микросферы.

«Проводя тот же эксперимент в жидкости, а не в воздухе, мы наткнулись на много трудностей», говорит проф. Филип Бенис из Гентского университета.

«Движение частиц жидкости гораздо более случайно, чем в воздухе, из-за столкновений с молекулами жидкости (это и есть Броуновское движение), и заряд меняется намного быстрее».

Проф. Бенис и его коллеги описали в своей статье в Physical Review Letters, как подход Милликена может быть распространен исследование заряда частицы также и в жидкости.

«В эксперименте мы фиксируем коллоидные микросферы из PMMA с помощью оптической ловушки в неполярной жидкости. Степень, в которой на частицы влияет приложенное затем электрическое поле, зависит от заряда частицы. Определяя положение частиц с помощью коаксиального луча можно определить их заряд по изменению траектории движения частиц во время того, как к ним приложено синусоидальное электрическое поле. Дискретные уровни значения заряда, получаемые в результате этих измерений, свидетельствуют о наличии индивидуальных событий, а сами эти значения с точностью до 10% соответствуют общепризнанному значению заряда электрона.»

«Мы используем очень высокое напряжение, чтобы убедиться, что движение под действием электрической силы намного больше, чем случайное броуновское движение».

Скорость и точность метода являются неотъемлемой частью его успеха. Но наиболее перспективным аспектом эксперимента, возможно, является именно стабильность оптической ловушки, которая позволила Ф. Бенису и соавторам проводить измерения в течение длительного времени, достаточного для проведения статистического анализа, позволившего получить реалистичную физическую модель механизма зарядки поверхности.

Этот эксперимент дает новое понимание поведения заряженных микрочастиц, которое можно использовать и для коммерческих приложений.

Примером может служить так называемые электронные чернила, которые используются в относительно новом типе дисплеев.

Дисплеи похожи на обычную бумагу, имеют высокую контрастность и очень хорошо читаются даже под прямыми солнечными лучами.

Сами электронные чернила в таких дисплеях состоят из тонкого слоя маслянистой жидкости, содержащей белый и черный пигменты. Черные частицы пигмента имеют отрицательный электрический заряд, а белые – положительный.

Под воздействием электрического напряжения проявляются или только белые, или только черные частицы, что и позволяет формировать изображение. К сожалению, сегодня смена цветов происходит слишком медленно, а большинство дисплеев пока что только черно-белые.

«Наши эксперименты демонстрируют новый метод изучения процессов зарядки и разрядки частиц при исследовании электронных чернил. Понимание этих процессов играет важную роль в создании электронных чернил с улучшенными свойствами, необходимыми, например, для создания цветной электронной бумаги».

Результаты исследований опубликованы в статье:

Filip Beunis, Filip Strubbe, Kristiaan Neyts and Dmitri Petrov Beyond Millikan: The Dynamics of Charging Events on Individual Colloidal Particles. – Phys. Rev. Lett. – 2012. – 108. – 016101. – [5 pages].