Když se dvě mikroskopické částice dotknou nebo srazí, může mezi nimi přeskočit drobná elektrická jiskra. Tento jev, známý jako kontaktní elektrifikace, se běžně odehrává v přírodě. Najdeme ho v pouštních bouřích, sopečných erupcích nebo v oblacích prachu kolem mladých hvězd. Právě tyto malé výboje dlouhodobě přitahují pozornost vědců, protože mohou poskytovat energii potřebnou pro chemické reakce vedoucí ke vzniku života.

Tým vedený Scottem Waitukaitisem z Institute of Science and Technology Austria se zaměřil na otázku, která fyziky trápí desítky let. Pokud se dotknou dvě stejné látky, proč se náboj vždy přesune jedním konkrétním směrem? Intuitivně by se dalo čekat, že se efekt vyruší, ale experimenty ukazují opak.

Hlavní autor studie Galien Grosjean proto připravil experiment s částicí křemíku, kterou udržoval ve vzduchu pomocí akustické levitace. Díky tomu se vyhnul jakémukoli nežádoucímu kontaktu, který by mohl výsledek ovlivnit. Částici pak opakovaně nechával narážet do desky ze stejného materiálu a měřil změny elektrického náboje.

Výsledky byly překvapivě konzistentní. Některé částice se opakovaně nabíjely kladně, jiné záporně. To odporovalo dřívějším modelům, které počítaly s náhodným rozložením vlastností na povrchu materiálů.

Experimenty, které otočily dosavadní teorii

Vědci nejprve zkoušeli vysvětlení založené na vodě, která se běžně váže na povrch materiálů. Tato hypotéza ale postupně selhávala. Zlom přišel až ve chvíli, kdy tým začal vzorky zahřívat a čistit plazmou.

Ukázalo se, že po těchto úpravách se chování částic zásadně změnilo. Zahřáté nebo plazmou ošetřené vzorky se začaly systematicky nabíjet jinak než předtím. To naznačilo, že klíč neleží v samotném materiálu, ale v něčem, co se nachází na jeho povrchu.

Další analýza odhalila konkrétního viníka. Povrch částic byl pokryt tenkou vrstvou uhlíkových molekul z okolního prostředí. Jakmile tato vrstva zmizela, změnil se i způsob, jakým se náboj přenášel. A co víc, když se uhlík na povrch postupně vrátil, efekt se obnovil.

Tým následně potvrdil stejný princip i u dalších materiálů, jako je oxid hlinitý, spinel nebo oxid zirkoničitý. V některých případech dokonce dokázali obrátit směr náboje tím, že odstranili uhlíkovou vrstvu pouze z jednoho z dvojice materiálů.

A vznik života?

Zjištění publikované v časopise Nature ukazuje, že i extrémně tenká vrstva uhlíku, někdy tvořená jedinou molekulární vrstvou, může rozhodovat o směru elektrického náboje. To vysvětluje, proč byl tento jev tak dlouho nepochopený. Stačí minimální změna na povrchu a výsledek se úplně obrátí.

V širším kontextu jde o víc než laboratorní zajímavost. V přírodě se totiž neustále střetávají miliardy drobných částic. V pouštích, sopečných oblacích i kosmickém prachu dochází k neustálému tření, kolizím a přenosu náboje. Tyto procesy mohou vytvářet podmínky pro vznik složitějších molekul, včetně aminokyselin.

Podobné jevy dnes sleduje i rover Perseverance na Marsu, který zaznamenává elektrickou aktivitu v prachových bouřích. Právě tam by se mohly odehrávat procesy podobné těm, které kdysi probíhaly na Zemi.