Ученые из Бельгии предложили новую методику измерения заряда, который накапливается на погруженном в жидкость пластиковом шарике с точностью до одного элементарного заряда. Предложенная методика напоминает эксперимент Роберта Милликена, проведенный около века назад, и обеспечивает беспрецедентную точность измерений на границе жидкости и твердого тела. По мнению исследователей, эксперимент может принести пользу при производстве различных коммерческих устройств, а также при усовершенствовании ряда коммерческих процессов.

В качестве модели коллоидных систем исследователи часто используют взвесь из крошечных пластиковых шариков в жидкости. Как правило, подобные модели описывают случайную зарядку и перезарядку коллоидных частиц с приближением, которое игнорирует квантованный характер заряда.

В свое время эксперимент Милликена являлся первой попыткой измерения процессов перезарядки в соответствии с представлением о существовании элементарного заряда. Для его измерения ученый использовал захват крошечных заряженных капель масла в электрическом поле.

Теперь же идеология эксперимента была почти повторена учеными из Ghent University (Бельгия).

Сходную схему они использовали для исследования элементарных процессов перезарядки на границе твердого тела и жидкости.

Понимания подобных процессов становится все более критичным для развития коммерческих субстанций, включающих в себя заряженные частицы, например, таких как «электронные чернила», предназначенные для электронных книг, а также ряда промышленных процессов.

Подробное описание работы опубликовано в журнале Physical Review Letters. В своем эксперименте команда использовала сферу из плексигласа диаметром 1 микрон в жидкости.

Далее в емкость с этой «коллоидной» смесью были установлены два электрода на расстоянии 300 микрон друг от друга. Между электродами было приложено осциллирующее напряжение.

Если в результате процессов перезарядки на границе жидкости и твердого тела сфера оказывалась заряжена, она колебалась бы в соответствии с приложенным напряжением, при этом амплитуда колебаний этой частицы являлась мерой полного заряда сферы. Фокус эксперимента заключался в том, чтобы установить все параметры таким образом, чтобы случайное движение сферы были много меньше этих колебаний. Кроме того, необходимо было измерять эту амплитуду достаточно часто, чтобы не пропустить элементарные события зарядки и разрядки.

В ходе исследования ученые обнаружили, что

события зарядки и разрядки такой сферы происходят дважды в секунду. Измерения показали, что амплитуда колебаний изменяется скачкообразно, что соответствует дискретной природе заряда. При этом расчет этого заряда в пределах 10% согласовался с известными данными для заряда электрона.

Чтобы объяснить наблюдавшиеся явления, ученые предположили, что фиксированное количество областей сферы может терять ион водорода, в результате чего вся сфера получает отрицательный заряд. Впоследствии водород может снова присоединиться к сфере, снижая его заряд. Расчеты показали, что

экспериментальная сфера имела в общей сложности 69 таких областей, из которых 10 постоянно находились в «заряженном» состоянии в каждый момент времени. Это в свою очередь доказывает, что такой сложный процесс, вовлекающий взаимодействие множества молекул, может быть смоделирован при помощи просто модели с малым количеством параметров. Таким образом, предложенная методика имеет право на существование.