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新研究發(fā)現(xiàn)靜電謎團(tuán)的重要線索
從觸摸門(mén)把手時(shí)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(xiàn)象無(wú)處不在。
雖然“靜電”是我們常用的詞，但科學(xué)家更傾向于使用“接觸起電”來(lái)描述這一現(xiàn)象。與“靜電”一詞所暗示的不同，這一過(guò)程并非靜止的，而是涉及動(dòng)態(tài)電荷轉(zhuǎn)移：當(dāng)兩個(gè)電絕緣材料接觸時(shí)，部分電荷會(huì)從一個(gè)材料轉(zhuǎn)移到另一個(gè)材料。
然而，盡管接觸起電是如此常見(jiàn)，但科學(xué)家們至今仍未能完全揭開(kāi)其本質(zhì)，尤其是不同材料如何在接觸過(guò)程中交換電荷的問(wèn)題。
一項(xiàng)新發(fā)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?nèi)绾谓粨Q電荷。這一發(fā)現(xiàn)不僅為靜電現(xiàn)象的不可預(yù)測(cè)性提供了合理解釋，也揭示了其看似混亂背后的隱藏規(guī)律。
無(wú)序中的混亂
1757年，物理學(xué)家約翰·維爾克（Johan Wilcke）在研究靜電現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)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(huì)帶正電。
這一發(fā)現(xiàn)奠定了“摩擦電序列”（triboelectric series）的基礎(chǔ)，即根據(jù)材料獲得或失去電荷的趨勢(shì)，對(duì)材料進(jìn)行排序。例如，在維爾克的實(shí)驗(yàn)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(gè)長(zhǎng)期未解的難題：不同研究人員在不同實(shí)驗(yàn)中往往得出不同的材料排序，即便是同一實(shí)驗(yàn)者重復(fù)實(shí)驗(yàn)，也可能得出截然不同的結(jié)果。結(jié)果的不一致性使得摩擦電序列難以成為一個(gè)統(tǒng)一的理論。
更令人困惑的是，即使是相同的材料，例如兩個(gè)氣球，在接觸后仍然會(huì)交換電荷——這是否意味著材料內(nèi)部存在某種未知變量？究竟是什么決定了電荷的去向？
規(guī)律浮現(xiàn)
在新的研究中，研究人員意識(shí)到，解決這個(gè)難題的關(guān)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(shí)驗(yàn)對(duì)象，并用它制造了一批標(biāo)準(zhǔn)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(cè)，相同材料之間電荷交換的隨機(jī)性可能是由材料表面微小的隨機(jī)差異導(dǎo)致的。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然呈現(xiàn)出不可預(yù)測(cè)的特性，并未揭示出明確的規(guī)律，這讓研究團(tuán)隊(duì)感到困惑。
接著，研究人員嘗試用同一組PDMS樣本進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。讓人驚訝的是，在反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，他們發(fā)現(xiàn)樣本開(kāi)始呈現(xiàn)出摩擦電排序！但當(dāng)他們換用一組新的樣本時(shí)，結(jié)果又恢復(fù)了隨機(jī)無(wú)序的狀態(tài)。
這一現(xiàn)象讓他們意識(shí)到，或許正是反復(fù)的接觸導(dǎo)致了材料行為的演變。研究進(jìn)一步表明，在經(jīng)歷大約200次接觸后，樣本表現(xiàn)出可預(yù)測(cè)的行為——接觸次數(shù)較多的樣本，相對(duì)于接觸次數(shù)較少的樣本來(lái)說(shuō)，在接觸后更傾向于帶負(fù)電。
更令人振奮的是，研究人員甚至發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)格控制接觸次數(shù)和實(shí)驗(yàn)順序的情況下，PDMS樣本可以被“預(yù)先編排”成穩(wěn)定的摩擦電序列。這意味著，通過(guò)操控材料的接觸歷史，我們或許可以精確預(yù)測(cè)并控制其靜電行為。
接觸史塑造靜電
這一發(fā)現(xiàn)一次提出了一個(gè)新的觀點(diǎn)：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(shí)驗(yàn)的結(jié)果表現(xiàn)出隨機(jī)性。
然而，仍有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(xiàn)出不同的電荷轉(zhuǎn)移行為？
為了探究這一點(diǎn)，研究人員對(duì)樣本進(jìn)行了多種高精度的表面表征分析。終，他們發(fā)現(xiàn)了只有的明顯變化：材料表面的納米級(jí)粗糙度發(fā)生了改變。 具體而言，反復(fù)接觸會(huì)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(zhuǎn)移，但它是研究人員能檢測(cè)到的只有變量，因此成為理解這一現(xiàn)象的關(guān)鍵線索。
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