揭開一個困擾科學(xué)家已久的靜電謎題

看似簡單的百年謎題

絕緣材料，也就是會阻礙電流流動的材料。然而，當(dāng)絕緣材料在其他表面上摩擦或滑動，或者受到壓痕或彎曲時，會積累電荷。這種現(xiàn)象被稱為接觸起電或摩擦起電。這種靜電現(xiàn)象在日常生活中十分常見。例如，把氣球在頭上摩擦，負(fù)電荷就會積聚在氣球上，頭發(fā)就會帶上正電，電荷的轉(zhuǎn)移會讓頭發(fā)根根豎起。

靜電的一些基本原理是清晰的：材料在相互摩擦或以其他方式接觸時會轉(zhuǎn)移電荷，其中一個會變得更帶正電，另一個則會變得更帶負(fù)電。異性電荷相吸，同性電荷相斥。

然而，幾個世紀(jì)以來，這一看似簡單的現(xiàn)象，卻暗藏著一系列令人困惑的難題，一個尤其令人困惑的例子是：兩個由同一種材料制成的物體在接觸后，竟會出現(xiàn)不對稱帶電，也就是一個偏向帶正電、另一個偏向帶負(fù)電。而按照最簡單的基本原理，這種情況本不應(yīng)發(fā)生。

現(xiàn)在，在一項新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，研究人員表示他們終于找到了罪魁禍?zhǔn)祝簛碜原h(huán)境中的含碳分子在材料表面留下的微量污染。

石英玻璃顆粒的懸浮實驗

在這項研究中，研究人員選擇了二氧化硅（石英玻璃）作為研究對象；這是宇宙中最常見的固體材料之一。然而，測量工作比預(yù)期中復(fù)雜得多：只要它與任何表面發(fā)生極其輕微的接觸，就會發(fā)生電荷交換，甚至連鑷子這樣的標(biāo)準(zhǔn)實驗室工具也不例外。

用聲波讓物質(zhì)懸浮。實驗裝置中，一個二氧化硅顆粒被聲懸浮在空中。（圖/Thomas Zauner/ISTA）

為了能在不發(fā)生物理接觸的情況下操控單個二氧化硅顆粒，研究人員開發(fā)了一套基于聲波懸浮的實驗裝置。他們用聲波將微小的球形顆粒懸浮在一塊由相同材料制成的平板上方。通過短暫關(guān)閉聲波，他們可以讓小球落下、撞擊玻璃板，再把它重新托住。隨后，他們施加一個電場，測量小球在這次碰撞中獲得了多少電荷——而在整個過程中，它沒有接觸任何其他表面。

在聲懸浮實驗裝置中，二氧化硅顆粒在平板上彈跳。（圖/Galien Grosjean）

將這種彈跳對每個樣品都重復(fù)1000次后，研究人員發(fā)現(xiàn)小球上的電荷會緩慢而穩(wěn)定地增加。但是，他們發(fā)現(xiàn)，即便這些樣品的制備方式完全相同，有的小球會穩(wěn)定地帶上正電，有的則會帶負(fù)電。研究人員懷疑，樣品可能沾上了微量污染物。

藏在材料表面

在接下來的實驗中，他們決定對部分樣品進行處理。

他們將部分小球和平板加熱烘烤到最高300°C，并用電離氣體束清洗附著在表面的分子。這樣一來，起電速率幾乎降為零，之后才逐漸恢復(fù)為隨機模式。但如果只清洗兩個樣品中的一個，那么它總會從另一個樣品那里獲得電荷，最終帶上負(fù)電。

在顯微鏡下，他們清晰地發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過熱烘烤或等離子體清洗的樣品，表面覆蓋著一層來自環(huán)境的碳?xì)浠衔?/strong>——例如甲基和丁烷這類分子。那些經(jīng)過處理的樣品會在幾個小時后重新獲得這些化合物——而這差不多正是樣品恢復(fù)隨機起電行為所需的時間。

研究人員雖然還沒搞懂這些分子為什么會讓某一邊更容易失去電荷，但已經(jīng)可以確定，它們打破了對稱性。

壓過材料的“天性”

在進一步的研究中，研究人員進一步檢驗：環(huán)境中的碳?xì)浠衔飳щ娦袨榈挠绊懀欠褚策m用于除二氧化硅之外的其他絕緣氧化物，包括氧化鋁（Al?O?）、尖晶石（MgAl?O?）和氧化鋯（ZrO?）。

他們對這些材料進行了標(biāo)準(zhǔn)清洗，這種清洗不會去除其表面吸附的碳?xì)浠衔飳?。他們發(fā)現(xiàn)，這些材料在相互接觸后，會表現(xiàn)出相對固定的帶電傾向，因此可以按照“更容易帶正電”到“更容易帶負(fù)電”的順序，排列成一個所謂的“摩擦起電序列”。這表明材料可能具有一定的固有帶電傾向，但研究團隊認(rèn)為，表面吸附的碳涂層同樣是塑造這一帶電行為的重要因素。

通過把這些材料兩兩配對進行比較，并去除其中原本更容易帶正電的那種材料表面的覆蓋層，同時保持另一種材料不變，他們竟然能夠?qū)⒄麄€摩擦起電序列反轉(zhuǎn)過來。因此，研究人員通過人為地制造明顯的表面碳涂層差異，證明了表面碳涂層的影響足以壓過材料本身固有的帶電傾向。

一個微小機制的宏大影響

這項研究在玻璃、氧化鋁、氧化鋯等絕緣氧化物中找到了導(dǎo)致同種材料不對稱帶電的關(guān)鍵因素，即材料表面上的碳基分子。由于這類材料本來就在自然界中廣泛存在，而環(huán)境中的碳基分子又幾乎無處不在，甚至在超高真空下也會附著到表面，因此這種機制很可能不僅存在于氧化物中，也可能廣泛出現(xiàn)在塑料、半導(dǎo)體等其他材料中。

不僅僅是在微觀顆粒層面，絕緣氧化物之間的靜電現(xiàn)象在自然界中廣泛存在，其影響甚至可能關(guān)系到生命的起源。自然界中的這類材料，大多數(shù)都是小于1毫米的小顆粒。它們通過彼此碰撞、摩擦和滾動而帶電。這就是為什么沙漠中的沙粒、火山灰云以及塵埃顆粒都會帶電。

有了這些發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家就可以著手回答一些更大的問題了，例如，這種現(xiàn)象是否也會發(fā)生在原行星盤——也就是行星系統(tǒng)誕生的搖籃——之中。

#參考來源：

https://ista.ac.at/en/news/colliding-dust-and-the-sparks-of-creation/

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00837-w

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00631-8

https://www.science.org/content/article/mysterious-type-static-electricity-has-hidden-culprit

https://www.nature.com/articles/s41586-025-10088-w

#圖片來源：

封面圖&首圖：osebuendiarubio / Pixabay