摘要：当人们看到袜子从烘干机中取出后粘在一起时，通常不会将这种"静电吸附"与尖端研究联系起来。然而，科学家对导致静电吸附的过程——接触起电——的理解几乎为零。接触起电是由于两个物体接触并分离时电荷转移而产生的现象。理解这一现象的主要障碍是接触起电实验臭名昭著的不一致

当人们看到袜子从烘干机中取出后粘在一起时，通常不会将这种"静电吸附"与尖端研究联系起来。然而，科学家对导致静电吸附的过程——接触起电——的理解几乎为零。接触起电是由于两个物体接触并分离时电荷转移而产生的现象。理解这一现象的主要障碍是接触起电实验臭名昭著的不一致性：电荷转移的幅度甚至极性可能在每次实验中发生变化。

奥地利科技学院Juan Carlos Sobarzo博士报告了一系列巧妙的实验，表明在某些情况下，这种表面上的不一致性实际上存在隐藏的规律，为接触起电提供了新见解。相关论文以“Spontaneous ordering of identical materials into a triboelectric series”为题，发表在Nature上。

这一现象不仅是衣物的困扰。事实上，若没有它，人类可能根本不会存在。在年轻而无生命的地球上，火山喷发释放出灰烬和气体。在这些剧烈事件中，灰烬颗粒通过接触起电碰撞带电，有时导致火山闪电。这种闪电被认为激活了火山气体中简单分子间的化学反应，形成生物分子，最终促成了地球生命的诞生。如今，接触起电的受控应用支撑着数字印刷等整个行业；但若失控，则会引发从电子设备损坏到致命爆炸等一系列问题。

研究接触起电的科学时，你可能会联想到课堂上孩子们用气球摩擦头发的情景。这看似简单，但即使关于起电的最基本科学问题仍未得到解答。例如，是什么将电荷从一个表面转移到另一个表面——电子、离子还是物质碎片？决定充电极性（即哪个表面带负电、哪个带正电）的理论基础是什么？材料可根据接触时的带电倾向进行排序，但这种排序基于实验经验，尚未被理论解释。

接触起电的多个特征使理论分析变得困难。首先，它本质上是非平衡过程——带电表面不处于平衡态——关键步骤的时间尺度跨越多个数量级。其次，它源于微小的电荷失衡：高度带电表面的不平衡程度相当于每约10万个表面原子对应一个电子的电荷量。第三，它涉及量子力学过程，例如化学键断裂和电子"隧穿"能量势垒。最后，它发生在具有纳米/微米结构、表面缺陷和吸附分子的表面上，这些特性使表面难以表征。

不仅是理论复杂性使接触起电难以解释——看似简单的实验也暗藏难度，且受巨大变异性困扰。这正是Sobarzo团队研究的切入点：他们直面实验变异性的问题。

Sobarzo等人研究了同种材料表面间的接触起电，采用严格控制的过程使样品对称接触（即每个表面承受相同的作用力；图1a）。由于两表面材质相同且接触对称，电荷转移本应不存在明显原因。然而，作者观察到接触起电确实发生，一表面带正电，另一表面带负电。

图1.相同材料的电荷转移性质自发发散，形成一个不同的系列。

此前已有关于"相同"材料间电荷转移的报道，但人们认为对称接触实验中的充电极性是随机不可预测的。令人惊讶的是，Sobarzo团队表明，名义相同样品的充电并非随机（图1b），而是遵循由接触本身决定的清晰、可重复的顺序——即样品"记住"了接触次数。当两样品接触时，先前接触次数较多者会带负电。通过多种分析技术，作者揭示这种记忆效应源于纳米级变形：每次接触会平滑样品表面（降低粗糙度）。

Sobarzo等人明确证明，纳米级粗糙度编码了材料对其历史的记忆，而接触过程中的不可逆变形改变了这种粗糙度。但变形过程是否电荷物理转移机制的必要部分？作者认为是的，推测可能涉及应变诱导化学或表面应变诱导电极化。

然而，我们认为实验结果也可能与电子/离子转移独立于变形过程的机制相容。在此情形下，历史记忆可能源于材料纳米结构变化系统性影响了电子/离子与表面的结合强度。对固液接触起电（变形可忽略）的实验或有助于厘清变形的作用。

遗憾的是，这些发现可能导向一个令人沮丧的结论：或许永远无法预测真实场景中的接触起电行为。先前研究表明，接触过程会导致材料转移，在某些情况下反转电荷转移极性。而本研究显示，接触会改变表面粗糙度，进而影响极性。材料转移和粗糙度变化只能通过先进表面分析技术表征。然而在许多情况下，此类技术无法使用，使准确预测遥不可及。

Sobarzo团队的研究令人联想到西非传统"巴津"染色织物的制备工艺。工人用大木槌敲打织物以获得光滑质感。Sobarzo等人表明，类似的光滑化过程在接触起电中隐秘发生，影响后续起电倾向。这让我们不禁思考：经过光滑处理的巴津织物，其静电吸附比其他织物更多还是更少？

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来源：芳芳论科学