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新研究發現靜電謎團的重要線索
從觸摸門把手時感受到的微弱電流，到緊貼在毛衣上的泡沫塑料顆粒——靜電現象無處不在。
雖然“靜電”是我們常用的詞，但科學家更傾向于使用“接觸起電”來描述這一現象。與“靜電”一詞所暗示的不同，這一過程并非靜止的，而是涉及動態電荷轉移：當兩個電絕緣材料接觸時，部分電荷會從一個材料轉移到另一個材料。
然而，盡管接觸起電是如此常見，但科學家們至今仍未能完全揭開其本質，尤其是不同材料如何在接觸過程中交換電荷的問題。
一項新發表于《自然》雜志的研究提供了突破性的答案：材料的接觸史決定了它們如何交換電荷。這一發現不僅為靜電現象的不可預測性提供了合理解釋，也揭示了其看似混亂背后的隱藏規律。
無序中的混亂
1757年，物理學家約翰·維爾克（Johan Wilcke）在研究靜電現象時，發現玻璃與紙接觸后，玻璃獲得正電荷，而紙與硫接觸后，紙同樣帶正電。因此，他推斷玻璃與硫接觸后會帶正電。
這一發現奠定了“摩擦電序列”（triboelectric series）的基礎，即根據材料獲得或失去電荷的趨勢，對材料進行排序。例如，在維爾克的實驗中，玻璃、紙和硫形成了一條摩擦電序列。
然而，這一理論存在一個長期未解的難題：不同研究人員在不同實驗中往往得出不同的材料排序，即便是同一實驗者重復實驗，也可能得出截然不同的結果。結果的不一致性使得摩擦電序列難以成為一個統一的理論。
更令人困惑的是，即使是相同的材料，例如兩個氣球，在接觸后仍然會交換電荷——這是否意味著材料內部存在某種未知變量？究竟是什么決定了電荷的去向？
規律浮現
在新的研究中，研究人員意識到，解決這個難題的關鍵可能在于研究“相同材料”之間的接觸起電。他們選擇了一種透明的硅基聚合物——聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為實驗對象，并用它制造了一批標準化的樣本，以盡可能減少變量，從而確定影響電荷交換的主要因素。
研究人員初推測，相同材料之間電荷交換的隨機性可能是由材料表面微小的隨機差異導致的。然而，實驗結果依然呈現出不可預測的特性，并未揭示出明確的規律，這讓研究團隊感到困惑。
接著，研究人員嘗試用同一組PDMS樣本進行多次實驗。讓人驚訝的是，在反復實驗后，他們發現樣本開始呈現出摩擦電排序！但當他們換用一組新的樣本時，結果又恢復了隨機無序的狀態。
這一現象讓他們意識到，或許正是反復的接觸導致了材料行為的演變。研究進一步表明，在經歷大約200次接觸后，樣本表現出可預測的行為——接觸次數較多的樣本，相對于接觸次數較少的樣本來說，在接觸后更傾向于帶負電。
更令人振奮的是，研究人員甚至發現，在嚴格控制接觸次數和實驗順序的情況下，PDMS樣本可以被“預先編排”成穩定的摩擦電序列。這意味著，通過操控材料的接觸歷史，我們或許可以精確預測并控制其靜電行為。
接觸史塑造靜電
這一發現一次提出了一個新的觀點：材料的接觸歷史決定了它的充電方式。 這一概念此前從未被提出，也正是這一因素解釋了為何許多接觸起電實驗的結果表現出隨機性。
然而，仍有一個關鍵問題尚未解答——究竟是什么在微觀尺度上改變了材料，使其表現出不同的電荷轉移行為？
為了探究這一點，研究人員對樣本進行了多種高精度的表面表征分析。終，他們發現了只有的明顯變化：材料表面的納米級粗糙度發生了改變。 具體而言，反復接觸會使材表面變得更加光滑，微小的凸起被撫平。
盡管目前尚不清楚這一變化如何直接影響電荷轉移，但它是研究人員能檢測到的只有變量，因此成為理解這一現象的關鍵線索。
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