Zwei mikroskopisch kleine Körner kollidieren und erzeugen einen winzigen Funken. Dieses Phänomen könnte die Energie geliefert haben, die das Leben auf der Erde ins Rollen gebracht hat. Aber wenn diese Materialien gleich sind, was entscheidet, in welche Richtung die Ladung fließt? In einer in Nature veröffentlichten Studie identifizieren Physiker des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) den entscheidenden Faktor als umweltbedingte Kohlenstoffmoleküle, die sich an der Oberfläche der Materialien ansammeln.
Was haben Staubstürme in der Sahara, Vulkanblitze und Akkretionsscheiben aus Materie, die einen Stern umkreisen, gemeinsam? Ein winziger Funke, der Ladung überträgt, ist der Kern dieser Phänomene. Bereits in den 1950er Jahren vermuteten Wissenschafter, dass die Energie von Vulkanblitzen dazu beigetragen haben könnte, Urmoleküle in die ersten Aminosäuren umzuwandeln - die Bausteine von Proteinen. In einer kürzlich veröffentlichten Studie vermuten Wissenschafter, dass der Rover ,,Perseverance" der NASA möglicherweise Hinweise auf Blitze inmitten von Staubstürmen auf dem Mars entdeckt hat.
Solche Wechselwirkungen sind in der Natur weit verbreitet. Dennoch konnten Forschende bisher nicht genau bestimmen, was den Ladungsaustausch zwischen isolierenden Feststoffen in eine bestimmte Richtung fließen lässt. Nun haben Physiker aus der Gruppe von Scott Waitukaitis, Assistenzprofessor am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) , das fehlende Puzzleteil gefunden: umweltbedingte Kohlenstoffmoleküle auf Materialoberflächen.
Ein einzelnes Quarzglaskorn
Um das Problem anzugehen, wählte der ehemalige ISTA-Postdoktorand Galien Grosjean, Erstautor der Studie, Siliziumdioxid, eines der häufigsten festen Materialien im Universum. Seine Messungen erwiesen sich jedoch als komplizierter als erwartet: Bei der geringsten Berührung mit einer Oberfläche, einschließlich Standard-Laborwerkzeugen wie Pinzetten, kam es zu einem Ladungsaustausch. Wie könnte er den Kontakt und den Ladungstransfer untersuchen, ohne die Materialien überhaupt zu berühren?
Die Lösung bestand darin, ein auf akustischer Levitation basierendes Versuchssystem zu entwickeln, um ein einzelnes Korn ohne physischen Kontakt zu kontrollieren. Indem er das Korn auf einer Platte aus dem gleichen Material hüpfen ließ, konnte Grosjean den Ladungstransfer vor und nach diesem kontrollierten Kontakt präzise messen. Als er dies wiederholt mit jeder Probe durchführte, stellte er fest, dass einige Proben durchweg positiv geladen waren, während andere negativ geladen waren. Aber was verursachte den Ladungsfluss in eine bestimmte Richtung zwischen zwei identischen Materialien? Und kann dieser Trend umgekehrt werden?
,,Führende Theorien haben uns in die Irre geführt"
Die ISTA-Wissenschafter untersuchten verschiedene Ansätze, um ihre Ergebnisse zu erklären und den natürlichen Trend der Proben umzukehren. Frühere Modelle gingen davon aus, dass die Materialien mit einem Mosaik aus zufälligen Oberflächenmerkmalen bedeckt sind. ,,Im Wesentlichen stellten sich die Wissenschafter:innen ein Modell nach dem Vorbild eines ,Milchkuhmusters’ vor", sagt Grosjean. Waitukaitis fährt fort: ,,Anfangs dachte ich, wir würden dieses Modell validieren und dann voranschreiten. Wir erwarteten zufällige Schwankungen des Ladungsaustauschs, die sich im Durchschnitt auf Null ausgleichen würden, wenn sich die Körner drehten und auf verschiedenen winzigen Flecken Kontakt hatten." Die Proben zeigten jedoch ein klares, konsequentes Aufladungsmuster. Parallel dazu untersuchte das Team, basierend auf anderen führenden Modellen, die mögliche Rolle von Feuchtigkeit und Wassermolekülen, die an der Oberfläche der Materialien angesammelt (adsorbiert) waren. ,,Wir haben uns lange Zeit ,kurzsichtig’ auf Wasser konzentriert, was uns auf so viele Irrwege geführt hat", sagt Waitukaitis. ,,Wir haben die führenden Theorien auf diesem Gebiet als selbstverständlich hingenommen, und sie haben uns in die Irre geführt. Wir brauchten Zeit, um das Vertrauen aufzubauen, zu erkennen, dass die Realität anders war."
Der Auslöser: ein weit verbreiteter Umweltfaktor
Das Team testete weiterhin neue Bedingungen, bis Grosjean beschloss, einige Proben einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Diese ,,gebackenen" Proben zeigten sofort einen deutlichen Effekt und luden sich nach dem Kontakt durchweg negativ auf. ,,Da Quarzglas sehr widerstandsfähig gegenüber thermischen Veränderungen ist, hat Wärme keinen Einfluss auf das Material selbst. Daher gingen wir davon aus, dass jede Veränderung auf Moleküle zurückzuführen sein muss, die an der Oberfläche des Materials adsorbiert sind", sagt er. Ein paralleles Experiment, bei dem die Oberfläche der Proben mit Plasma abgetragen wurde, zeigte denselben Effekt.
,,An diesem Punkt begannen wir, andere Gruppen zu kontaktieren, die Materialoberflächen untersuchen und die Oberflächen-Zusammensetzung präzise messen können, um die Proben vor und nach dem Backen zu vergleichen. Dabei stellten wir fest, dass die Materialien durch diese Behandlung ihre natürliche Beschichtung aus Kohlenstoffverbindungen aus der Umgebung verloren", sagt Grosjean. Tatsächlich ist die Plasmabehandlung zur Entfernung von Kohlenstoff ein Standardverfahren in der Oberflächenwissenschaft. ,,Wir wussten, dass Kohlenstoff eine Rolle spielte, aber das war noch kein eindeutiger Beweis", fügt er hinzu.
Als Nächstes untersuchten die Forscher, wie sich der Ladungseffekt nach dem Backen oder der Plasmabehandlung entwickelte, und stellten fest, dass er im Laufe eines Tages abnahm. ,,Parallel dazu zeigten unsere Kooperationspartner:innen, dass die Kohlenstoffverbindungen im gleichen Zeitraum auch wieder an die Oberfläche der Materialien zurückkehrten, was den Zusammenhang noch deutlicher machte", so Grosjean. Im Vergleich dazu kehrten Wassermoleküle viel schneller an die Oberfläche der Materialien zurück. Diese Experimente bestätigten, dass Kohlenstoff aus der Umgebung der Auslöser war.
Natürliche Tendenzen überwinden
Die ISTA-Wissenschafter untersuchten anschließend, ob der Einfluss von Kohlenstoff aus der Umgebung auf die Ladung auch bei anderen isolierenden Oxiden wie Aluminiumoxid, Spinell und Zirkonoxid auftritt. Nach einer Standardreinigung - also ohne Entfernung der adsorbierten Kohlenstoffspezies von ihrer Oberfläche - fallen diese Materialien natürlich in eine sogenannte triboelektrische Reihe, in der sich die Materialien von der positivsten bis zur negativsten Ladung nach dem Kontakt reihen. Dies deutet zwar darauf hin, dass die Materialien intrinsische Tendenzen haben, doch das Team vermutete, dass auch die Kohlenstoffbeschichtung dazu beitrug. Die Forschenden untersuchten jedes Materialpaar einzeln. Bei dem Material, das sich von Natur aus stärker positiv auflädt, entfernten sie die Oberfläche, während das andere unverändert blieb. Auf diese Weise konnten sie die gesamte Reihe umkehren. Durch die Einführung dieses deutlichen Ungleichgewichts in der Kohlenstoffbeschichtung konnten die Forscher zeigen, dass der Kohlenstoffeffekt die inhärenten Tendenzen der Materialien überwiegen kann.
Der Ursprung des Lebens - und mehr?
Waitukaitis schildert die Herausforderungen, vor denen das Team stand: ,,Diese Experimente sind wirklich schwierig. Die Kohlenstoffbeschichtung befindet sich nie im Gleichgewicht; bereits eine einzige Monoschicht Kohlenstoff macht einen Unterschied, und die Materialien reagieren empfindlich auf die geringste Berührung. Deshalb blieb das Phänomen so lange ungeklärt." Mit einem auf akustischer Levitation basierenden Versuchsaufbau löste das ISTA-Team nicht nur das Problem des unerwünschten Kontakts, sondern erzielte auch äußerst präzise Messungen mit einer Auflösung von 500 Elektronen.
In einer weiteren aktuellen Studie fand die Waitukaitis Gruppe heraus, dass die Kontakthistorie zwischen Materialien aus weichen, siliziumbasierten Polymeren die Richtung des Ladungsaustauschs bestimmte. Während beide Projekte ursprünglich darauf abzielten, die älteren Modelle zu validieren, zeigten die Polymere und isolierenden Oxide letztlich unterschiedliche Ergebnisse. ,,Es ist verlockend zu glauben, dass jede Erkenntnis auf alle Materialien zutrifft", sagt Grosjean. ,,Aber wir haben aufgehört, diesen Fehler zu machen."
Über mikroskopisch kleine Körner hinaus ist statische Elektrizität zwischen isolierenden Oxiden in der Natur so weit verbreitet, dass sie der Ursprung des Lebens und vielleicht sogar der Bildung von Planeten sein könnte. ,,Die meisten dieser Materialien in der Natur sind kleine Partikel, die kleiner als ein Millimeter sind. Sie laden sich auf, indem sie miteinander kollidieren, aneinander reiben und übereinander rollen. Deshalb laden sich Wüstensand, Vulkanaschewolken und Staubpartikel auf", sagt Waitukaitis.
Mit diesen Erkenntnissen können Forschende nun größere Fragen angehen, beispielsweise ob dieses Phänomen auch in protoplanetaren Scheiben - die Geburtsorte von Planetensystemen - auftritt. Waitukaitis fasst zusammen: ,,Einige aktuelle Modelle der Planetarbildung basieren auf einer vorherrschenden Wirkung der Ladung. Insofern könnte unsere Forschung gerade Licht auf den Mechanismus geworfen haben, der den Funken der Schöpfung zugrunde liegt."
Publikation:
Galien Grosjean, Markus Ostermann, Markus Sauer, Michael Hahn, Christian M. Pichler, Florian Fahrnberger, Felix Pertl, Daniel M. Balazs, Mason M. Link, Seong H. Kim, Devin L. Schrader, Adriana Blanco, Francisco Gracia, Nicolás Mujica & Scott R. Waitukaitis. 2026. Adventitious carbon breaks symmetry in oxide contact electrification.Nature. DOI: 10.1038/s41586-025-10088-w
Projektförderung:
Dieses Projekt wurde durch Mittel aus dem Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungsund Innovationsprogramms ,,Horizont 2020" der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. 949120) und vom Marie-Sklodowska-Curie-Programm (Fördervereinbarung Nr. 754411) unterstützt. Die Autoren danken dem Land Niederösterreich und dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung unter der Fördernummer WST3-F-542638/004-2021, dem Fondecyt-Zuschuss 1221597 und einem Serra-Húnter-Stipendium.
