Статическое электричество стало «искрой», которая зажгла жизнь во Вселенной

4 миллиарда лет назад Земля была враждебным, бесплодным миром, сотрясаемым массивными и непрекращающимися извержениями и задыхающимся от непригодной для дыхания атмосферы. Еще в 1950-х годах знаменитые ученые Стэнли Миллер и Гарольд Юри продемонстрировали в знаковом эксперименте, что если ударить электрическим током «первичный суп» из простых газов (таких как метан, аммиак и водяной пар), то спонтанно образуются аминокислоты, основные строительные блоки белков.

Последующие исследования уточнили и расширили эту идею, зайдя настолько далеко, что предположили, что эффектные вулканические молнии на самом деле были движущей силой этой древней пребиотической химии. Энергии, конечно, не хватало. Достаточно вспомнить недавнее извержение подводного вулкана Хунга Тонга в 2022 году, в результате которого всего за пять минут образовалось 25 500 молний. На примитивной Земле это огромное количество электрической энергии, высвобождаемой повсюду среди плотных облаков пепла, могло превратить инертные молекулы в зародыши биологии.

Однако здесь возникает проблема, решение которой ускользало от усилий физиков на протяжении десятилетий. Когда две микроскопические частицы пыли или пепла сталкиваются в природе, возникает небольшая искра. Вопрос в следующем: если обе твердые частицы совершенно одинаковы, сделаны из одного и того же изолирующего материала, какой физический фактор определяет, куда течет электрический ток? Почему один заряжен положительно, а другой отрицательно, если они идентичны?

Подобные взаимодействия — наш хлеб насущный. Мы видим их в пылевых бурях Марса, где марсоход НАСА «Персеверанс» предположил наличие электрических молний, или в холодных кольцах звездной пыли. Несмотря на это, ученым не удалось выделить точный механизм. До настоящего времени.

Новое исследование, только что опубликованное в журнале Nature, похоже, наконец-то дало ответ. Исследователи из Австрийского института науки и технологий (ISTA) под руководством профессора Скотта Вайтукайтиса, по сути, нашли недостающую часть головоломки: вина за все лежит на неуловимых молекулах на основе углерода, которые плавают в окружающей среде и прилипают к поверхности материалов.

Проблема прикосновения к вещам

Чтобы прийти к такому выводу, команде пришлось преодолеть огромное методологическое препятствие. Галиен Грожан, постдокторант ISTA и первый автор работы, выбрал для своего эксперимента кварцевое стекло (кремнезем), один из самых распространенных твердых изоляционных материалов во всей Вселенной. Но вскоре он понял, что измерять свой груз – это настоящий кошмар. Малейшее прикосновение к любой поверхности, даже самым асептическим лабораторным пинцетом, безвозвратно изменяло электрический обмен. Как же тогда изучать контакт и трение, вообще ни к чему не прикасаясь? Решение кажется чем-то из научной фантастики: акустическая левитация.

Словно по волшебству, Грожан использовал высокочастотные звуковые волны, чтобы удерживать в воздухе одну микроскопическую крупинку кварца, создавая «невидимые руки» чистой акустики. А затем, подбросив это зерно в левитации о пластину из того же материала, он смог с исключительной точностью (с разрешением всего в 500 электронов) измерить перенос заряда до и после удара, без каких-либо других объектов, загрязняющих сцену.

Он обнаружил, что систематически некоторые образцы заряжались положительно, а другие — отрицательно. Образец был реальным и постоянным. Но почему это произошло и как это можно было повернуть вспять?

Неправильные теории

«Основные теории, — говорит Скотт Вайтукайтис, директор исследовательской группы, — сбили нас с пути». Фактически, в течение многих лет теоретические модели утверждали, что поверхность этих материалов представляет собой мозаику случайных свойств. «По сути, — отмечает Грожан, — ученые представляли себе модель «паттерна молочной коровы». Первоначально я думал, что мы проверим эту модель и двинемся дальше. «Мы ожидали случайных колебаний, которые в среднем сводились к нулю, когда зерна вращались и соприкасались в разных крошечных зонах». Но данные показали нечто иное, закономерность, которая была слишком четкой и устойчивой.

Еще одним историческим подозреваемым, стоящим за этим процессом, была влажность. “Мы долгое время недальновидно фокусировались на воде, – признает Вайтукайтис, – что завело нас во многие тупики. “Мы воспринимали доминирующие теории по этому вопросу как нечто само собой разумеющееся… Нам нужно было время, чтобы обрести уверенность, необходимую для того, чтобы признать, что реальность совсем другая”.

Научное прозрение пришло, когда Грожан решил «испечь» образцы. Когда кварц подвергался термообработке, эффект внезапно менялся: при контакте образцы внезапно становились равномерно отрицательно заряженными. Поскольку сильная жара не меняет внутреннюю структуру твердого кварца, вывод был очевиден: огонь сжигал «что-то» на поверхности. Параллельный эксперимент, в котором они «очистили» поверхность кварца, бомбардируя ее плазмой (обычный метод стерилизации материалов), подтвердил точно такой же результат.

Этим «чем-то» оказался углерод из окружающей среды. Очень легкий природный слой углеродных частиц, который постоянно откладывается на любом материале, подвергающемся воздействию окружающей среды. Чтобы окончательно доказать это, исследователи сотрудничали с другими лабораториями и наблюдали, как после очистки материала теплом или плазмой эффект зарядки исчезал в течение суток. Ровно столько же времени потребовалось углероду из воздуха, чтобы переотложиться на кварце. Вода, напротив, почти сразу же вернулась, окончательно исключив ее как основную причину.

Изменение законов природы

Открытие выходит далеко за рамки простого кварца. Ученые ISTA протестировали другие фундаментальные в геологии изоляционные оксиды, такие как оксид алюминия, шпинель и цирконий. Все они имеют естественную тенденцию заряжаться тем или иным образом при контакте (так называемая трибоэлектрическая серия). Однако команда показала, что, выборочно удалив очень небольшую углеродную патину с одного из материалов, они могут создать искусственный дисбаланс, способный полностью обратить эту серию вспять. Иными словами, очень тонкое углеродное покрытие диктовало свои правила, а не тенденции, присущие самим материалам.

«Эти эксперименты, — отмечает Вайтукайтис, — действительно сложны. Углеродное покрытие никогда не находится в равновесии; «Один слой уже имеет значение, а материалы чувствительны к малейшему трению». Это объясняет, почему это повседневное явление (статическое электричество) так долго оставалось необъяснимым.

Последствия этого открытия, конечно, огромны. Фактически, помимо крошечных зерен, заключенных в лаборатории, статическое электричество между изолирующими оксидами доминирует над многими процессами в природе. «Большинство этих материалов в природе представляют собой мелкие частицы размером менее миллиметра. Они атакуют, сталкиваясь, трутся и перекатываются друг о друга. Именно поэтому туда попадает песок пустыни, облака вулканического пепла и частицы пыли», — объясняет исследователь.

Точное знание того, как и почему происходит этот повсеместный перенос заряда, вызванный углеродом, открывает новое окно в понимание не только того, как химические вещества, давшие начало жизни, были созданы под грозовым небом ранней Земли, но и то, как устроены планеты.

Фактически, в протопланетных дисках (колоссальных облаках пыли и газа, вращающихся вокруг новорожденных звезд) частицы пыли непрерывно сталкиваются. Некоторые из наиболее продвинутых моделей формирования планет основаны именно на том, что эти крошечные частицы приобретают электрический заряд и могут прилипать друг к другу, образуя сначала гальку, затем камни и, наконец, целые миры.

«Наше исследование, — заключает Вайтукайтис, — могло бы пролить свет на механизм, лежащий в основе «искры» творения». И, конечно, он прав. От пыли, лениво плавающей в комнате, до смертоносных молний инопланетного вулкана и жестокой колыбели солнечных систем — рецепт космоса, кажется, всегда включает щепотку углерода, микроскопическое воздействие и, наконец, ту первобытную искру, которая меняет абсолютно все.