你小学就学过的“摩擦起电”，至今难倒科学家

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• 静电现象看起来很简单，其实至今仍是一个科学难题；

• 摩擦起电的背后，究竟是什么在转移电荷？为什么有的材料带正电，有的是负电？为什么同样的试验步骤，结果不尽相同？

• 研究发现，材料的“接触史”会影响带电行为；对氧化物来说，表面的含碳分子也会左右电荷转移。

• 越来越多研究表明，静电没有简单统一的规律，科学家正借此一步步接近静电的本质。

原文作者：Jenna Ahart

这一熟悉的现象困扰研究人员数百年，如今实验终于开始解释其难以预测的行为。

静电太过常见，以至于人们往往觉得它十分简单。用气球摩擦头顶，电荷的转移会让你的头发竖起来。在地毯上拖着脚走，所产生的电荷不平衡可能会电到旁边毫无防备的路人。

因此你可能对此很意外：由所谓“摩擦起电效应”产生的静电现象，数百年来仍令科学家绞尽脑汁。其中的一些基本内容已经很清楚了。材料在相互摩擦或接触时会发生电荷转移：一种带正电，另一种带负电。异种电荷相吸，同种电荷相斥——于是，铛铛：小学课堂里的经典科学实验出现了。

但该领域的其他大部分问题依然扑朔迷离。传递电荷的，究竟是电子、离子还是物质碎片？为什么有些材料带正电，而有些带负电？当两个相同材料的样品接触时会发生什么，例如，奥地利Klosterneuburg科学技术研究所的实验物理学家Scott Waitukaitis说，“拿一个气球去摩擦另一个气球会怎样？”问题的一个重要部分在于，这些实验往往“不听话”——同样的实验步骤，得到的结果却可能不同。

现在，研究人员正在逐步厘清长期困扰该领域的一些谜团。通过精密的实验室设备，精确控制混杂因素，Waitukaitis和他的团队发现，某些材料的带电行为，会以一种奇特的方式受到其过去接触历史的影响[1]。Waitukaitis及其同事近期在《自然》上[2]报告，含碳的表面分子可以在引导电荷交换方向中发挥作用。

这些发现“是该领域很长一段时间以来极为出色的成果”，化学工程师Daniel Lacks说，他在美国凯斯西储大学研究摩擦电学。与此同时，其他研究团队也正在探索：碰撞过程中的接触面积和撞击速度是否会主导电荷转移，以及化学键断裂又在其中扮演怎样的角色。

西北大学埃文斯顿分校的材料科学家Laurence Marks表示，这股研究热潮的背后，似乎反映了人们希望重新审视摩擦起电现象背后的基础物理机制。 深入理解静电现象有许多应用潜力，例如能帮助改进利用静电的供电技术，为远程传感器或可穿戴设备供电，无需电池[3]。它还有望防止那些可能引发工业爆炸的静电事故。

研究人员表示，人们越来越清楚地意识到，静电远不是一种遵循单一明确规则的简单现象。相反，每一次电荷交换都可能受到多种因素共同影响，且随着具体条件的不同而变化。有些因素如今已经逐渐被认识到，而另一些则仍有待揭晓。

早期观察记录

静电研究的历史至少可以追溯到古希腊时期。摩擦电学（Triboelectric）这一词语包含希腊语的“摩擦”和“琥珀”，因为琥珀摩擦毛发后会吸引轻质物体如羽毛。16世纪末，英国物理学家William Gilbert发现，除了琥珀之外，玻璃、钻石和蓝宝石等材料也具有类似的吸引现象，并首次将这种静电吸附与磁力区分开来。随后的几个世纪里，科学家逐渐意识到，闪电其实就是一种巨大的静电放电——和人在地毯上蹭着脚走路时偶尔被“电”一下，本质上是同一种现象，只不过规模大得多。与此同时，人们也发明了早期静电发生器，并逐渐发展成今天科学博物馆里让学生们惊叹不已的范德格拉夫起电机。

到了十八世纪中叶，研究人员还开始记录哪些材料带负电，哪些带正电，形成称为摩擦电级数的列表。这些材料从最可能带正电到最可能带负电进行排序，比如兔毛排在靠近顶部，而硅排在靠近底部。

20世纪的一段时间里，相关研究曾一度沉寂，直到21世纪初，这股研究热潮才再次兴起。Marks认为，这股重新兴起的研究热潮，至少部分源于“摩擦纳米发电机”（triboelectric nanogenerator）的发明[4]。这种装置利用摩擦起电效应，将机械能转化为电能。它吸引了许多寻找小型设备的新型供电方法的研究人员。伦敦帝国理工学院的机械工程师Giulio Fatti说：“过去十年里，这个领域几乎迎来了爆炸式发展。”

即便关注度不断提高，摩擦起电现象背后的基本原理依然难以捉摸。Marks表示，目前研究人员已经达成了一些共识。例如，一种材料具有特定的电势，使带电粒子能够从中逸出，这取决于材料的表面性质和成分。Waitukaitis解释说，这种性质被称为材料的“功函数”（work function），目前这一概念在金属材料上较为适用。此外，材料样品还必须能够将这些带电粒子“困”在表面上，这样在两种材料接触并再次分离后，电荷才不会立刻消失。不过，物理学家至今仍在努力厘清这些现象背后真正的机制。

接触过程中的其他细节似乎同样重要[5]。但究竟哪些因素在什么条件下、对哪些材料尤为关键，目前仍不清楚。Marks表示，摩擦起电现象究竟能否完全用现有物理学解释，还是需要建立一套属于它自己的理论模型，也仍是一个悬而未决的问题。

回顾过去

Waitukaitis和他的团队原本正在研究相同材料的样品之间究竟如何发生电荷转移。但他们遇到了一个长期困扰整个领域的问题——实验结果始终难以保持一致。摩擦电序列（triboelectric series）难以复现。不同研究团队对于哪些材料更容易带正电、哪些更容易带负电，常常会得出彼此矛盾的结果；有时甚至连同一组样品，也会出现完全不同的实验结论。

为此，Waitukaitis让当时还是博士生的Juan Carlos Sobarzo尝试利用同一种硅基聚合物样品建立一个摩擦电序列。然而，Sobarzo始终得不到稳定结果。一次实验中，样品A与样品B接触后会带负电；可到了下一次实验，它却又变成了带正电。

“很长一段时间里，我们都以为自己做错了什么。”Waitukaitis说。“我们以为还有某些变量没有控制好。”

即使团队对湿度进行了严格控制——此前研究人员认为材料表面的水分会影响其电荷——结果依然不尽人意。

后来，Sobarzo翻出了一批已经经历过许多实验的旧样品，并测试它们与新样品接触时会发生什么。研究人员很快注意到，那些经历过更多次接触的样品，更容易带上负电。在接下来的实验中，他们开始系统记录每个样品此前究竟经历了多少次接触。

“直到那时，事情开始出现规律了。那些‘接触历史’更多的样品，总是更容易带上负电。”Waitukaitis说，“原本看似混乱无序的现象，其实反映的是样品本身的演变。”

研究人员怀疑，这种“演变”与样品表面在每一次接触过程中发生的表面变形有关[1]。

在新发表的论文中[2]，Waitukaitis与西班牙巴塞罗那自治大学的应用物理学家Galien Grosjean及其同事，进一步研究了两种看似完全相同的材料之间究竟如何交换电荷。这一次，他们研究的是氧化物——例如沙子这类由氧原子与其他原子结合形成的材料。研究团队使用了多种实验技术，其中包括一种能够让样品悬浮起来的装置，以避免样品电荷在实验过程中发生变化。他们还借助高速摄像机，对样品所带电荷进行了精确测量。

实验开始前，研究人员原本认为，材料表面的水分可能会影响电荷交换。但无论样品被存放在潮湿还是干燥环境中，其带电行为似乎都没有出现明显变化。随后，研究团队对材料进行了烘烤处理，发现经过烘烤的样品在接触后更倾向于带负电，而未经烘烤的样品则更容易带正电。

在进一步研究材料界面之后，研究人员意识到，烘烤之所以会改变实验结果，是因为这一过程去除了材料表面的含碳分子。这类分子——例如富含碳元素的温室气体甲烷——通常都会从空气中附着到材料表面。Grosjean说，这些分子“会缓慢但持续地覆盖几乎所有表面”。研究结果表明，如果一种材料表面附着了更多碳质分子，那么在接触之后，它就更容易带上正电[2]。

Waitukaitis说，当团队意识到真正影响结果的竟然是这些含碳分子时，所有人都愣了一下。“在静电研究领域，你几乎从没听人提过这些分子的事。”

这些研究结果，标志着人们在理解哪些因素主导电荷转移方面终于迈出了第一步。不过，目前关于“接触历史”的发现似乎仍主要局限于塑料等聚合物材料，而这些新结果则只适用于氧化物体系。

不过，这项研究表明，对于材料为何会带电，并不存在一个放之四海皆准的答案。Waitukaitis表示：“不同材料之间存在固定摩擦电序列，这种想法像是空中楼阁。”

Lacks表示，看似微不足道的因素竟然能够产生如此巨大的影响，这倒不是什么全新的观点。“真正新颖的是这些极为系统化的实验——它们首次证明，某一种特定污染物确实在其中扮演着主导性的、决定性的角色。”他补充道。他认为，这个领域“已经开始摆脱过去那种模糊直觉的解释，转向更加严格的科学验证”。

静电研究的未来

其他研究团队也在尝试逐步厘清这一复杂现象。例如，韩国研究人员报告称，他们能够通过调控材料内部的电场来控制电荷转移[6]。“这一发现意义重大，因为长期以来，人们一直认为摩擦起电现象基本上是难以控制的。”该研究共同作者、首尔延世大学从事摩擦电能量收集研究的Sang-Woo Kim表示。Marks认为，这些发现与现有电磁学原理是一致的，也说明摩擦起电现象或许并不需要一套全新的理论框架。与此同时，德国一个研究团队发现，当两种金属相互碰撞时，随着撞击速度增加，碰撞时的接触面积也会随之增大，而这会进一步影响电荷转移[7]。撞击速度与电荷转移之间究竟存在怎样的关系，长期以来一直颇具争议。

Fatti和同事研究了摩擦起电现象与化学键断裂之间的关系，并发现，当金属与聚合物材料接触时，金属能够打断聚合物表面的化学键。这种被破坏后的不稳定状态，会形成一种有利于电子交换的化学环境，从而让化学键重新恢复稳定。研究团队去年1月发表的结果，作者认为，这一发现有望帮助研究人员开发性能更好的摩擦纳米发电机[8]。

进一步的研究还有望帮助人们避免那些会造成设备损坏、甚至引发爆炸的静电放电——例如工业工厂中的相关事故。其他潜在应用还包括：通过3D打印来调控材料中的电荷分布[9]，从而制造一种类似“电学版永久磁铁”的临时结构；以及评估月球上大量尘埃可能会对未来月球基地造成怎样的损害[10]。

Marks表示，自从他在2018年进入这一研究领域以来，他已经看到越来越多物理学家和化学家开始对静电现象进行“硬核分析”，开展极其细致、严谨的测量工作。

Waitukaitis也认为，越来越多实验室开始更加谨慎地对待这些实验。“然后这些实验室又会把行之有效的方法分享给其他团队。”他说。目前，这仍然是一个规模不大、彼此联系紧密的研究圈子，每年只有一场专门讨论摩擦起电的学术会议——尽管Waitukaitis一直在尝试，向更大型的物理学会议推广自己对这一领域的热情。

如今，随着越来越多研究团队开始识别某些电荷转移过程中真正关键的参数，Waitukaitis希望，物理学家对于这一现象的理解能够逐渐变得更加完整。“我不确定我们有没有让问题变简单。”他补充说，“但我们是在做一些必要的事来弄清情况。”