新研究发现静电谜团的重要线索

从触摸门把手时感受到的微弱电流，到紧贴在毛衣上的泡沫塑料颗粒——静电现象无处不在。

虽然“静电”是我们常用的词，但科学家更倾向于使用“接触起电”来描述这一现象。与“静电”一词所暗示的不同，这一过程并非静止的，而是涉及动态电荷转移：当两个电绝缘材料接触时，部分电荷会从一个材料转移到另一个材料。

然而，尽管接触起电是如此常见，但科学家们至今仍未能完全揭开其本质，尤其是不同材料如何在接触过程中交换电荷的问题。

一项新发表于《自然》杂志的研究提供了突破性的答案：材料的接触史决定了它们如何交换电荷。这一发现不仅为静电现象的不可预测性提供了合理解释，也揭示了其看似混乱背后的隐藏规律。

  无序中的混乱  

1757年，物理学家约翰·维尔克（Johan Wilcke）在研究静电现象时，发现玻璃与纸接触后，玻璃获得正电荷，而纸与硫接触后，纸同样带正电。因此，他推断玻璃与硫接触后会带正电。

这一发现奠定了“摩擦电序列”（triboelectric series）的基础，即根据材料获得或失去电荷的趋势，对材料进行排序。例如，在维尔克的实验中，玻璃、纸和硫形成了一条摩擦电序列。

然而，这一理论存在一个长期未解的难题：不同研究人员在不同实验中往往得出不同的材料排序，即便是同一实验者重复实验，也可能得出截然不同的结果。结果的不一致性使得摩擦电序列难以成为一个统一的理论。

更令人困惑的是，即使是相同的材料，例如两个气球，在接触后仍然会交换电荷——这是否意味着材料内部存在某种未知变量？究竟是什么决定了电荷的去向？

  规律浮现  

在新的研究中，研究人员意识到，解决这个难题的关键可能在于研究“相同材料”之间的接触起电。他们选择了一种透明的硅基聚合物——聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为实验对象，并用它制造了一批标准化的样本，以尽可能减少变量，从而确定影响电荷交换的主要因素。

研究人员初推测，相同材料之间电荷交换的随机性可能是由材料表面微小的随机差异导致的。然而，实验结果依然呈现出不可预测的特性，并未揭示出明确的规律，这让研究团队感到困惑。

接着，研究人员尝试用同一组PDMS样本进行多次实验。让人惊讶的是，在反复实验后，他们发现样本开始呈现出摩擦电排序！但当他们换用一组新的样本时，结果又恢复了随机无序的状态。

这一现象让他们意识到，或许正是反复的接触导致了材料行为的演变。研究进一步表明，在经历大约200次接触后，样本表现出可预测的行为——接触次数较多的样本，相对于接触次数较少的样本来说，在接触后更倾向于带负电。

更令人振奋的是，研究人员甚至发现，在严格控制接触次数和实验顺序的情况下，PDMS样本可以被“预先编排”成稳定的摩擦电序列。这意味着，通过操控材料的接触历史，我们或许可以精确预测并控制其静电行为。

  接触史塑造静电  

这一发现一次提出了一个新的观点：材料的接触历史决定了它的充电方式。 这一概念此前从未被提出，也正是这一因素解释了为何许多接触起电实验的结果表现出随机性。

然而，仍有一个关键问题尚未解答——究竟是什么在微观尺度上改变了材料，使其表现出不同的电荷转移行为？

为了探究这一点，研究人员对样本进行了多种高精度的表面表征分析。终，他们发现了只有的明显变化：材料表面的纳米级粗糙度发生了改变。 具体而言，反复接触会使材表面变得更加光滑，微小的凸起被抚平。

尽管目前尚不清楚这一变化如何直接影响电荷转移，但它是研究人员能检测到的只有变量，因此成为理解这一现象的关键线索。