解開靜電之謎：接觸歷史決定電荷交換

數世紀以來，靜電現象一直是科學界的一大謎團。如今，奧地利科技學院（ISTA）Waitukaitis研究團隊的最新發現，為這個長久以來的謎題提供了關鍵線索：材料的接觸歷史決定了它們如何交換電荷。這項突破性的研究成果發表於《自然》期刊，揭示了接觸帶電現象中隱藏的規律，為過去被認為是混亂無序的現象帶來了新的理解。

從觸控門把時的小小觸電，到保麗龍球黏在調皮貓咪的毛髮上，靜電現象既熟悉又看似簡單，卻從古至今一直困擾著人們。這個無處不在的現象，甚至常被用來向孩子們展示摩擦氣球的神奇效果，但為何科學家至今仍無法完全理解其機制？

靜電現象有許多稱呼，但科學家更傾向於使用「接觸帶電」這個術語。與「靜電」一詞所暗示的不同，這個現象並非真正靜止，而是涉及電荷的轉移——當兩個原本電中性的材料接觸時，電荷便會發生轉移。

「我們無法避免接觸帶電，每個人都經歷過。正因如此，我們對其機制的不瞭解才顯得如此令人驚訝。」ISTA助理教授Scott Waitukaitis表示。他與博士生Juan Carlos Sobarzo共同領導了這項研究。

研究團隊發現了一個數世紀以來一直被忽略的關鍵因素：「我們測試了可能影響接觸帶電的各項引數，但沒有一個能合理解釋我們的結果。於是我們停下來思考：如果影響帶電行為的正是接觸本身呢？『接觸』這個詞已經出現在現象名稱中，卻一直被廣泛忽視。」Sobarzo解釋道。

儘管接觸帶電現象無處不在，但科學家們對不同材料如何經歷這一過程的理解卻一直難以突破。雖然科學家在1950年代就描述了金屬的帶電機制，但絕緣體的研究卻困難得多——儘管它們是最容易交換電荷的材料。

歷史上，多項研究曾提出絕緣體可以根據其交換電荷的正負性進行排序，從最正到最負。例如，如果玻璃對陶瓷帶正電，而陶瓷對木材也帶正電，那麼玻璃通常也會對木材帶正電。因此，玻璃、陶瓷和木材就形成了一個所謂的摩擦電序列。

然而，Waitukaitis指出這些摩擦電序列存在問題：「不同的研究者會得到不同的排序，有時甚至同一位研究者在重複實驗時也無法得到相同的結果。」

「很長一段時間裡，理解絕緣材料如何交換電荷看起來就像一團亂麻：實驗結果極不可預測，有時甚至完全隨機。」Waitukaitis說道。面對這種混亂局面，物理學家和材料科學家似乎無法就解釋機制的任何模型達成共識。更糟糕的是，他們還必須應對一個令人困擾的事實：即使是相同的材料，例如兩個氣球，也會交換電荷。畢竟，材料應該是相同的，那麼是什麼決定了電荷的流向？

Waitukaitis和Sobarzo推測，這種相同材料間的接觸帶電現象可能為更廣泛地理解這一效應提供關鍵線索。透過使用相同材料，他們將自由變數減少到最低限度——只需要找出使樣品不同的那個因素。他們選擇了聚二甲基矽氧烷（PDMS）作為研究材料，這是一種透明的矽基聚合物，他們將其製成塑膠般的塊狀物。

當時，解釋相同材料為何會交換電荷的主要假說是表面特性的隨機變化。令人沮喪的是，團隊的初步結果也反映了隨機性和不可預測性。當時他們並未懷疑樣品的接觸歷史可能扮演重要角色，而是在測試各種條件時，有時會重複使用相同的樣品，完全沒有意識到這些樣品會隨著每次接觸而發生變化。在探索研究方向時，他們想到測試相同的PDMS樣品是否會形成摩擦電序列。

「我拿了一組手邊的樣品——那時我會重複使用它們進行多個實驗——令我難以置信的是，我第一次嘗試就看到它們形成了序列。」Sobarzo回憶道。

受到這個意外結果的鼓舞，團隊嘗試用新的樣品重複實驗，但很快又失望地看到了隨機的結果。

「那時我們本可以放棄，」Sobarzo說，「但我決定第二天再用這組樣品試一次。結果看起來好一些，於是我繼續嘗試，直到第五次嘗試時，樣品完美地形成了序列。」Sobarzo偶然發現了為什麼舊樣品第一次嘗試就能成功的原因：重複接觸似乎讓樣品發生了變化。

「一旦我們開始記錄樣品的接觸歷史，隨機性和混亂就變得完全合理了。」Waitukaitis解釋道。

事實上，研究團隊發現樣品在大約200次接觸後開始表現出可預測的行為，而且接觸次數較多的樣品總是對接觸次數較少的樣品帶負電。研究人員甚至證明，如果控制接觸次數和實驗順序，PDMS樣品可以可靠地形成「預先設計」的摩擦電序列。

樣品的接觸歷史可能控制其帶電方式的想法從未被提出過。這一發現解釋了為什麼許多接觸帶電實驗看起來隨機且不可控。然而，一個問題仍然存在——接觸行為如何改變樣品？為此，研究團隊進一步深入研究，在接觸前後使用各種表面敏感技術對樣品進行分析。

在他們調查的所有引數中，只有一個提供了線索：他們發現材料表面粗糙度在奈米尺度上發生了離散變化。更具體地說，他們證明接觸會使材料表面最微小的凹凸變得平滑。雖然團隊還不清楚這如何導致接觸帶電，但由於這是他們能檢測到的唯一變化，因此具有強烈的暗示性。

「我們成功揭示了這個難以捉摸的機制的重大線索，這對我們理解電學和靜電學至關重要，卻讓科學家困惑了這麼久。」Sobarzo說道。Waitukaitis難掩興奮地總結道：「我們證明，靜電科學不再那麼令人絕望了。」

這項研究得到了歐洲研究委員會（ERC）在歐盟「地平線2020」研究與創新計劃下的資助（協議號949120），以及FFG專案「ELSA」（資助號884672）和歐洲區域發展基金及下奧地利州（資助號WST3-F-542638/004-2021）的支援。