静电并非简单的电荷转移,物体的接触历史和表面分子才是关键,这有望改变未来的能源利用。

把气球蹭蹭头发,发丝就会炸开。在家里地毯上走几步,伸手一摸门把手就被电个激灵。这些生活小事背后其实藏着困扰物理学家数百年的大难题。

这种现象在学术上被称为摩擦起电效应。虽然小学课本告诉我们电荷会转移,异性相吸同性相斥,但细节远没那么简单。到底是电子、离子还是物质微粒在移动?为什么同一种材料互相摩擦也会起电?奥地利科学技术研究院的Scott Waitukaitis和他的团队发现,实验结果往往极其不稳定。他的学生Juan Carlos Sobarzo在测试同一种高分子材料时,发现电荷的方向完全随机。

直到他们翻出了一些用过的旧样本,真相才浮出水面。研究人员注意到,物体是有“记忆”的。接触次数越多的样本,越倾向于带负电。这种看似混乱的过程,实际上是材料表面在不断演变。最近在Nature发表的一项研究中,Scott Waitukaitis及其同事还发现,材料表面携带的碳分子在引导电荷交换方向上起到了关键作用。西北大学的材料科学家Laurence Marks认为,这些发现是该领域很久以来最出色的工作。

研究静电不只是为了满足好奇心。凯斯西储大学的Daniel Lacks指出,搞清楚这些规律,能帮我们制造出不需要电池的可穿戴设备,甚至是为远程传感器供电的纳米发电机。同时,这也能预防工业生产中因静电放电引发的爆炸事故。伦敦帝国理工学院的Giulio Fatti表示,在过去10年里,这个领域的研究呈爆炸式增长。

从古希腊人发现琥珀吸引羽毛,到16世纪威廉·吉尔伯特区分电与磁,再到18世纪科学家开始排定摩擦起电序列,静电的奥秘正被一层层剥开。科学家们意识到,静电并不遵循单一的死板规则,每一次电荷交换都受到环境、接触次数和表面成分等多种因素的交织影响。随着巴塞罗那自治大学等机构的研究者加入,高精尖实验设备正让这个困扰人类数千年的“电力魔术”逐渐显露真容。

本文译自 nature,由 BALI 编辑发布。