La electricidad estática es tan común que puede parecer simple. Frota un globo contra tu cabeza y la transferencia de cargas te pondrá los pelos de punta. Arrastra los pies sobre una alfombra y el desequilibrio de carga que produce puede sorprender a un transeúnte inocente.
Por lo tanto, podría resultar sorprendente que la electricidad estática, que surge de lo que los investigadores en este campo llaman efecto triboeléctrico, haya dejado a los científicos devanándose los sesos durante siglos. Algunos de los conceptos básicos son claros. Los materiales transfieren cargas cuando se frotan o entran en contacto entre sí: uno se carga más positivamente y el otro más negativamente. Las cargas opuestas se atraen, mientras que las cargas idénticas se repelen, y ta-da, tienes un experimento científico de escuela primaria.
Pero casi todo lo demás en este campo sigue siendo desconcertante. ¿Son los electrones, iones o trozos de material los que transfieren la carga? ¿Por qué algunos materiales se cargan positivamente y otros negativamente? ¿Qué sucede cuando dos muestras del mismo material entran en contacto? Por ejemplo, cuando se “frota un globo contra otro”, dice el físico experimental Scott Waitukaitis del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria en Klosterneuburg. Una gran parte del problema es que los experimentos tienden a comportarse mal y los mismos procedimientos producen resultados diferentes.
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Ahora, los investigadores están resolviendo algunos de los enigmas que han plagado este campo durante mucho tiempo. Con sofisticadas instalaciones de laboratorio que controlan cuidadosamente los factores compuestos, Waitukaitis y su equipo han descubierto que la carga de algunos materiales tiene una extraña tendencia a depender de sus interacciones pasadas. Esta semana en Nature, Waitukaitis y sus colegas informan que las moléculas de superficie que transportan carbono pueden desempeñar un papel a la hora de guiar la dirección en la que se intercambia la carga.
Estos descubrimientos “son el mejor trabajo en mucho tiempo” en este campo, dice Daniel Lacks, ingeniero químico que ha estudiado triboelectricidad en la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio. Otros equipos están investigando cómo el área de superficie y la velocidad durante el impacto podrían regular la transferencia de carga y cómo contribuye la ruptura de enlaces químicos.
La afluencia de investigaciones parece estar impulsada por el deseo de examinar la física fundamental en juego, dice Laurence Marks, científico de materiales de la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois. Una mejor comprensión de la ciencia de la electricidad estática podría conducir a mejores dispositivos que la utilicen para alimentar sensores remotos o tecnologías portátiles sin baterías, por ejemplo. También podría ayudar a prevenir las descargas eléctricas que pueden provocar explosiones industriales.
Según los investigadores, cada vez está más claro que la electricidad estática está lejos de ser un fenómeno simple que se rige por un conjunto de reglas claras. En cambio, cada intercambio de cargos podría estar determinado por varios factores que varían según las circunstancias. Algunos de estos factores ahora se conocen y otros aún esperan ser descubiertos.
Observaciones antiguas
La historia de la electricidad estática se remonta al menos al período griego antiguo. Triboelectric incluye las palabras griegas para “frotar” y “ámbar”, porque, después de frotar el ámbar contra el pelaje, atrae objetos ligeros como plumas. A finales del siglo XVI, el físico inglés William Gilbert identificó otros materiales que tenían el mismo poder de atracción, entre ellos el vidrio, los diamantes y los zafiros, y distinguió este tipo de atracción eléctrica del magnetismo. En los siglos siguientes, los científicos aprendieron que los rayos eran una descarga electrostática, una versión de gran tamaño de la descarga benigna que se produce al arrastrar los pies sobre una alfombra, e inventaron los primeros generadores electrostáticos, precursores de los generadores Van de Graaff que sorprenden a los estudiantes en los museos de ciencia.
A mediados del siglo XVIII, los investigadores también habían comenzado a documentar qué materiales adquirían carga negativa y cuáles positivamente, produciendo listas llamadas series triboeléctricas. Estos clasifican los materiales desde los que tienen más probabilidades de cargarse positivamente hasta los que tienen más probabilidades de cargarse negativamente, con la piel de conejo listada cerca de la parte superior y el silicio cerca de la parte inferior, por ejemplo.
Hubo una pausa en los esfuerzos por comprender el fenómeno durante parte del siglo XX antes de que resurgiera el interés a principios del siglo XXI. Marks atribuye este renovado interés, al menos en parte, a la invención del nanogenerador triboeléctrico. Este dispositivo se basa en el efecto triboeléctrico para convertir la energía mecánica en electricidad. Atrajo a investigadores interesados en nuevas formas de impulsar pequeñas tecnologías. “En los últimos diez años, este campo literalmente se ha disparado”, afirma Giulio Fatti, ingeniero mecánico del Imperial College de Londres.
Sin embargo, incluso con el aumento de la atención, los fundamentos de la triboelectricidad siguen siendo difíciles de alcanzar. Hay algunas ideas generalmente aceptadas, afirma Marks. Un material tiene un potencial específico para que escape una partícula cargada que depende de la superficie y la composición del material. Este potencial se denomina función de trabajo del material y, hasta ahora, se aplica mejor a los materiales metálicos, afirma Waitukaitis. Una muestra también debe poder atrapar las partículas cargadas, de modo que se mantengan en su lugar cuando los materiales se separen después del intercambio. Pero los físicos todavía están precisando los mecanismos exactos detrás de estos fenómenos.
Otros detalles del contacto también parecen importar. Pero aún no está claro qué es lo más importante, en qué circunstancias y para qué materiales. Si la triboelectricidad puede explicarse mediante la física existente o si exige su propio modelo sigue siendo una cuestión abierta, dice Marks.
Mirando al pasado
Waitukaitis y su equipo estaban investigando cómo muestras del mismo material pueden intercambiar una carga cuando encontraron resultados inconsistentes que han frustrado durante mucho tiempo a los investigadores en el campo. Las series triboeléctricas son difíciles de reproducir. Los equipos han obtenido resultados variables sobre qué materiales se cargan más positiva o negativamente e, incluso, hallazgos diferentes con las mismas muestras.
Waitukaitis encargó a su entonces estudiante de doctorado, Juan Carlos Sobarzo, que intentara formar una serie utilizando muestras del mismo polímero a base de silicona. Pero Sobarzo no pudo obtener resultados consistentes. En un experimento, la muestra A quedaría cargada negativamente al interactuar con la muestra B. En el siguiente, quedaría cargada positivamente.
“Durante mucho tiempo pensamos que estábamos haciendo algo mal”, dice Waitukaitis. “Pensamos que había alguna variable que no estábamos controlando”.
Incluso cuando el equipo controló cuidadosamente la humedad (porque los investigadores pensaban que el agua en la superficie de un material podría afectar la forma en que se carga), los resultados siguieron siendo confusos.
Luego, Sobarzo desenterró un conjunto de muestras que ya habían pasado por muchos experimentos y probó cómo interactuaban con otras nuevas. Rápidamente, los investigadores notaron que las muestras que habían pasado por más contacto tendían a cargarse negativamente. En experimentos posteriores, realizaron un seguimiento de cuántos contactos ya había tenido cada muestra.
“Fue entonces cuando las cosas empezaron a tener sentido. Las muestras que habían tenido más toques en su historia siempre estaban cargando negativamente”, dice Waitukaitis. “Lo que parecía un caos era una indicación de la evolución de las muestras”.
Los investigadores sospechan que esta evolución tiene que ver con cómo se deforma la superficie de la muestra con cada contacto.
En el artículo actual, Waitukaitis, en colaboración con Galien Grosjean, físico aplicado de la Universidad Autónoma de Barcelona (España), y sus colegas, profundizó en cómo se intercambia la carga entre dos materiales aparentemente idénticos. Esta vez, trabajaron con óxidos (materiales, como la arena, que están formados por átomos unidos a oxígeno) y utilizaron varias tecnologías, incluido un dispositivo que levita muestras para evitar que cambie su carga. También utilizaron una cámara de alta velocidad para medir con precisión la carga de las muestras.
Antes del experimento, los científicos pensaban que el agua en la superficie de los materiales podría afectar el intercambio de carga. Pero las muestras almacenadas en un ambiente húmedo o seco no parecieron verse afectadas notablemente. Luego, los investigadores hornearon los materiales y descubrieron que las muestras horneadas tendían a cargarse negativamente después del contacto y las sin hornear, positivamente.
Después de explorar las interfaces de los materiales, los investigadores se dieron cuenta de que el proceso de horneado cambiaba los resultados al eliminar las moléculas portadoras de carbono en la superficie de los materiales. Estos tipos de moléculas, como el metano, un gas de efecto invernadero rico en carbono, suelen recogerse del aire. “Lenta pero seguramente llegan a todas las superficies”, dice Grosjean. Los hallazgos sugieren que es más probable que el material se cargue positivamente después del contacto si tiene una mayor cantidad de moléculas carbonosas en su superficie.
Waitukaitis dice que el equipo lo pensó dos veces después de descubrir que eran las moléculas transportadoras de carbono las que estaban en juego. “Casi nunca se oye hablar de esas moléculas en el campo de la electricidad estática”, afirma.
Estos resultados proporcionan los primeros pasos para comprender qué factores influyen más en la transferencia de carga. Hasta ahora, los hallazgos del historial de contactos parecen referirse sólo a materiales poliméricos como los plásticos, mientras que los últimos resultados se aplican sólo a los óxidos.
Aún así, el trabajo indica que no existe una respuesta única sobre cómo se cargan los materiales. “La idea de un orden triboeléctrico permanente entre diferentes materiales es un espejismo”, dice Waitukaitis.
Que factores tan pequeños puedan tener tanto impacto no es necesariamente una idea nueva, dice Lacks. “Pero lo que es totalmente nuevo son estos experimentos realmente sistemáticos para demostrar que un contaminante particular desempeña un papel rector y controlador”, añade. El campo se ha “alejado de los gestos de mano hacia una prueba más científica”.
Zapping hacia adelante
Otros grupos están desenmarañando sus propios asuntos. Investigadores de Corea del Sur, por ejemplo, informaron que podían controlar la transferencia de carga manipulando el campo eléctrico interno de un material. “Esto fue significativo porque durante mucho tiempo se había considerado que la triboelectricidad era en gran medida incontrolable”, dice el coautor del estudio Sang-Woo Kim, que estudia la recolección de energía triboeléctrica en la Universidad de Yonsei en Seúl. Los hallazgos, dice Marks, encajan con los principios electromagnéticos existentes, lo que sugiere que la triboelectrificación no necesita un nuevo conjunto de reglas. Y un equipo en Alemania ha descubierto que a medida que aumenta la velocidad del impacto entre dos metales en colisión, también aumenta la superficie de impacto, lo que puede afectar la transferencia de carga. El vínculo entre la velocidad del impacto y la transferencia de carga había sido objeto de debate.
Fatti y sus colaboradores han estudiado la triboelectricidad y la ruptura de enlaces químicos y han descubierto que un metal puede romper los enlaces químicos en la superficie de un polímero cuando los dos materiales interactúan. Esta inestabilidad crea las condiciones químicas adecuadas para que se intercambien electrones para volver a estabilizar el enlace. Los hallazgos, publicados en enero pasado, podrían ayudar a los investigadores a crear nanogeneradores triboeléctricos de mejor rendimiento, afirman.
Investigaciones adicionales también podrían ayudar a prevenir las descargas eléctricas que causan daños o provocan explosiones, por ejemplo en fábricas industriales. Otras aplicaciones incluyen controlar la carga contenida en los materiales mediante impresión 3D para crear un equivalente eléctrico temporal de un imán permanente y evaluar el daño que el prolífico polvo de la Luna podría causar a futuros campamentos base lunares.
Marks dice que desde que comenzó a trabajar en este campo en 2018, descubrió que cada vez más físicos y químicos están aplicando “análisis exhaustivos” a la electricidad estática, realizando mediciones minuciosamente cuidadosas.
Waitukaitis está de acuerdo en que cada vez más laboratorios están “siendo cuidadosos” con los experimentos. “Luego esos laboratorios comparten las técnicas que les ayudaron con otros laboratorios”, dice. Sigue siendo un grupo pequeño y muy unido de científicos con una conferencia dedicada al año, aunque ha estado tratando de difundir su entusiasmo por la triboelectricidad en reuniones de física más grandes.
Ahora que los grupos están empezando a identificar los parámetros que más importan para algunas transferencias de carga, Waitukaitis espera que se complete la comprensión del fenómeno por parte de los físicos. “No estoy seguro de que estemos simplificando las cosas”, añade. “Pero estamos haciendo lo necesario para que esto tenga sentido”.
Este artículo se reproduce con autorización y se publicó por primera vez el 18 de marzo de 2026.