چھوٹا دانہ ہی برقی بار کیوں اٹھاتا ہے

پاؤڈر ہلائیں، ریت انڈیلیں، کافی پیسیں: دانے ایک دوسرے سے ٹکراتے ہیں اور برقی بار لے کر الگ ہوتے ہیں۔ یہ اثر، جسے رگڑی بار گیری (tribocharging) کہا جاتا ہے، آتش فشانی پھٹاؤ، گرد کے طوفانوں اور آسمانی بجلی میں کردار ادا کرتا ہے، اور صنعت میں بھی، برقی عکس نگاری (electrophotography) اور اسپرے کوٹنگ (spray coating) سے لے کر دواؤں کی تیاری تک۔ پھر بھی، مصنفین لکھتے ہیں، اس کا میکانزم “اب تک گرفت سے باہر ہے”۔

ایک ہی ریت، مخالف بار

دو مشاہدات اسے ایک معما بناتے ہیں۔ پہلا، ایک ہی مادّے کے دانے بھی ایک دوسرے کو بار دیتے ہیں، اور ان کی جسامت طے کرتی ہے کہ کس سمت میں: عام خیال یہ ہے کہ چھوٹے دانے منفی اور بڑے مثبت ہو جاتے ہیں۔ دوسرا، یہ قطبیت (polarity) ایک مادّے سے دوسرے مادّے میں الٹ جاتی ہے۔

پہلے کی توجیہات ایک یا دوسری بات پر لڑکھڑا گئیں۔ سطح پر پھنسے ہوئے بلند توانائی والے الیکٹرانوں کی تجویز دی گئی، لیکن پیمائشوں میں وہ اتنے کم ملے کہ بار کو نہیں اٹھا سکتے تھے۔ اس کے بعد سطح سے چمٹی ہوئی (adsorbed) ہائیڈرو آکسائیڈ (OH⁻) تہوں سے آئنوں کی منتقلی تجویز کی گئی، لیکن یہ نہیں بتا سکتی کہ کیمیائی طور پر یکساں دانے صرف جسامت کی بنیاد پر کیوں الگ الگ ترتیب پاتے ہیں۔ مقالے کے مطابق، 2018 سے یہ سوال پوری طرح حل طلب ہے۔

ٹکر کی حرارت

جنوبی کوریا کے KAIST میں ڈونگ گن کانگ (Donggeun Kang)، یونگ ہیون کِم (Yong-Hyun Kim) اور ان کے ساتھی، تھائی لینڈ کی سورانری یونیورسٹی آف ٹیکنالوجی (Suranaree University of Technology) کے ساتھ مل کر، رگڑ کے سب سے سادہ نتیجے سے آغاز کرتے ہیں: حرارت۔ جب دو دانے ٹکراتے ہیں تو وہ فرض کرتے ہیں کہ ٹکر دونوں سطحوں پر حرارت کی برابر مقدار چھوڑتی ہے۔ فرق اس بات میں ہے کہ وہ حرارت کہاں جاتی ہے۔ چھوٹے دانے میں خمیدہ سطح اسے مرتکز کر دیتی ہے، اور اسے جذب کرنے کے لیے مادّہ کم ہوتا ہے۔ چھوٹا دانہ زیادہ گرم ہو جاتا ہے۔

رابطے میں موجود دو مادّوں کے درمیان درجۂ حرارت کا فرق ایک وولٹیج پیدا کرتا ہے: سیبیک اثر (Seebeck effect)، تھرموکپل (thermocouple) کا اصول۔ یہاں ΔV = −SΔT، جہاں S مادّے کا سیبیک ضریب (Seebeck coefficient) ہے۔ یہ وولٹیج بار کو ایک دانے سے دوسرے کی طرف دھکیلتا ہے۔ S کی علامت (sign) سمت طے کرتی ہے: جب S مثبت ہو تو مثبت حاملین (carriers) زیادہ گرم دانے کی طرف بہتے ہیں؛ جب منفی ہو تو الیکٹران۔

ایک چھوٹے سرخ ذرے اور ایک بڑے نیلے ذرے کا خاکہ جنہیں اپنے رابطے پر برابر حرارت ملتی ہے، چھوٹا زیادہ گرم ہوتا ہے، اور دو وولٹیج پروفائل جو دکھاتے ہیں کہ S کی علامت کے لحاظ سے مثبت یا منفی بار پار جاتے ہیں۔

برابر حرارت، غیر برابر گرمائش: درجۂ حرارت کا فرق ΔT ایک وولٹیج ΔV = −SΔT پیدا کرتا ہے، اور سیبیک ضریب S کی علامت طے کرتی ہے کہ بار کس سمت میں بہتا ہے۔ — شکل 1، Kang et al. (2026)، arXiv:2610.36757۔

ڈگری کے ہزارویں حصے

ٹیم نے ایک سیکنڈ کے دس ہزارویں حصے تک جاری رہنے والی ٹکر کے دوران کروی دانوں کے اندر حرارت کی مساوات (heat equation) حل کی، بارہ مادّوں کے لیے، نائیلون اور ریشم سے لے کر کوارٹز اور PVC تک۔

ایک ہی نصف قطر (100 مائیکرومیٹر) کے دو دانوں کے درمیان، صرف مادّہ نتیجہ بدل دیتا ہے: نائیلون کے لیے رابطہ تقریباً 0.6 ڈگری گرم ہوتا ہے جبکہ کوارٹز کے لیے تقریباً 0.17، اور وولٹیجوں کی علامتیں مخالف ہوتی ہیں۔ اس طرح پیش گوئی کی گئی مادّوں کی ترتیب ایک شائع شدہ رگڑی برقی سلسلے (triboelectric series) کے 83% سے مطابقت رکھتی ہے، یعنی وہ فہرست جو مادّوں کو ان کے حاصل کردہ بار کے لحاظ سے درجہ بند کرتی ہے۔
کوارٹز کے دو دانوں کے درمیان، یعنی 100 مائیکرومیٹر نصف قطر کا ایک دانہ ایک بڑے دانے کے مقابل، فرق جسامت کے فرق کے ساتھ بڑھتا ہے: 200 مائیکرومیٹر نصف قطر والے دانے کے مقابل ایک ڈگری کے 4.4 ہزارویں حصے، 800 مائیکرومیٹر نصف قطر والے کے مقابل 10.5۔

دس ہزار ٹکریں

ایک واحد ٹکر پوری کہانی نہیں: اصل پاؤڈر بار بار ٹکراتے ہیں۔ بہت سی ٹکروں کے دوران ہر دانہ اپنی حرارتی گنجائش (heat capacity) کے مطابق گرم ہوتا ہے، جو اس کے رداس کے مکعب کے ساتھ بڑھتی ہے۔ تب چھوٹے اور بڑے دانے کے درمیان وولٹیج ان کے رداسوں کے معکوس مکعبات کے فرق، R_s⁻³ − R_l⁻³، کے متناسب ہوتا ہے۔

پھر مصنفین نے 600 چھوٹے دانوں (رداس 50 سے 150 مائیکرومیٹر) اور 400 بڑے دانوں (100 سے 400 مائیکرومیٹر) کے ایک آمیزے کی 10,000 ٹکروں تک عددی نقل (simulation) کی۔ کوارٹز کے لیے، جس کا سیبیک ضریب منفی ہے، چھوٹے دانے منفی اور بڑے مثبت رہ جاتے ہیں: کلاسیکی نمونہ۔ نائیلون کے لیے، جس کا ضریب مثبت ہے، نمونہ الٹ جاتا ہے۔ دونوں رجحانات ان مادّوں کے بارے میں تجربات کی رپورٹ سے مطابقت رکھتے ہیں۔

بائیں، چھوٹے اور بڑے دانوں کے درمیان وولٹیج جو ان کی جسامت کے تناسب کے ساتھ بڑھتا ہے، کوارٹز کے لیے مثبت اور نائیلون کے لیے منفی؛ دائیں، بار کے ہسٹوگرام جن میں چھوٹے اور بڑے دانے صفر کے مخالف اطراف میں ہیں، کوارٹز اور نائیلون کے درمیان الٹے ہوئے۔

جوڑی وار وولٹیج جسامت کے تناسب کے ساتھ بڑھتا ہے، کوارٹز (سرخ) اور نائیلون (نیلا) کے لیے مخالف علامتوں کے ساتھ؛ چھوٹے اور بڑے دانوں پر آخرکار مخالف بار ہوتے ہیں، اور دونوں مادّوں کے درمیان قطبیت الٹ جاتی ہے۔ — شکل 4، Kang et al. (2026)، arXiv:2610.36757۔

ماڈل کن باتوں کو مان کر چلتا ہے

یہ ایک نظریاتی مقالہ ہے، کسی نئے تجربے کے بغیر۔ یہ فرض کرتا ہے کہ ہر ٹکر کی حرارت دونوں دانوں میں برابر تقسیم ہوتی ہے؛ مصنفین نوٹ کرتے ہیں کہ مختلف سختی یا لچک والے دانے اسے غیر برابر تقسیم کر سکتے ہیں، جو ایک کھلا سوال ہے۔ دانے مثالی کرے ہیں، اور کئی پیرامیٹر، جیسے ٹکر کی توانائی کا وہ حصہ جو حرارت میں بدلتا ہے، ہاتھ سے مقرر کیے گئے ہیں۔

ان کے ماڈل میں جیومیٹری طے کرتی ہے کہ کون سا دانہ زیادہ گرم ہوگا، اور مادّہ طے کرتا ہے کہ بار کس سمت جائے گا۔ مصنفین اس میں “رابطے سے پیدا ہونے والی بار کی منتقلی کو قابو کرنے کی ایک عمومی حکمتِ عملی” دیکھتے ہیں۔