接触电气化取决于材料的接触历史，物理学家显示

从触摸门把手时的微小电击到粘附在顽皮猫毛上的泡沫 peanuts — 这种众所周知且看似简单的静电现象自古以来就让人困惑。这种无处不在的效应，通常是通过摩擦气球在头发上来向惊讶的孩子们演示的，为什么科学家们仍然无法完全理解呢？

静电有多种名称，但科学家们更喜欢称之为“接触电气化”。与“静电”这一名称所暗示的不同，这种效应的本质并不是静止的，而是包括了运动，因为每当两个电中性材料接触时都会有一部分电荷转移。“接触电气化是无法逃避的；每个人都有经历。这就是为什么我们可能会感到惊讶的是，我们并不完全理解它是如何发生的，”领导此项工作的奥地利科学与技术研究所（ISTA）助理教授Scott Waitukaitis说道，他与ISTA博士生Juan Carlos Sobarzo共同进行此研究。现在，团队发现了一个在几个世纪以来仍未被了解的关键谜题：“我们测试了可能影响接触电气化的不同参数，但没有一个能够合理地解释我们的结果。这就是我们停下来思考的地方：如果是接触本身影响了充电行为呢？‘接触’这个词已经在名称中，但它却被广泛忽视，”Sobarzo说道。

“完全混乱”

尽管这一现象无处不在，但了解不同材料如何经历接触电气化却让物理学家和化学家困惑了几个世纪。虽然科学家在1950年代能够描述金属的机制，但电绝缘体的理解却更加棘手 — 尽管它们是交换电荷最多的材料。从历史上看，一些研究提出绝缘体可以根据它们交换的电荷符号进行排序，从最正到最负。例如，如果玻璃对陶瓷是正电的，而陶瓷对木材也是正的，那么玻璃（通常）对木材是正电的。因此，玻璃、陶瓷和木材形成所谓的“摩擦电系列”。

Waitukaitis指出，这些摩擦电系列的问题在于，不同的研究者得到不同的排序，有时甚至同一个研究者在重新进行实验时也得到不同的排序。“很长一段时间以来，理解绝缘材料如何交换电荷似乎是一个完全的混乱：实验结果令人难以预测，有时看起来完全随机，”他说。考虑到这种“完全的混乱”，物理学家和材料科学家似乎无法就任何模型达成一致，以解释其机制。更糟糕的是，他们还不得不应对这样一个令人困扰的事实，即即使是相同的材料，如两个气球，也会交换电荷。毕竟，这些材料本应是相同的，那么什么决定了电荷的去向呢？

从混乱中产生秩序

Waitukaitis和Sobarzo认为，这种“相同材料”的接触电气化可能是理解这一效应更广泛的重要线索。通过使用“相同”的材料，他们将自由变量的数量减少到最小 — 他们只需找到一种使样本不同的东西。对于他们的材料，他们选择了聚二甲基硅氧烷（PDMS） — 一种透明的硅酮基聚合物，由其制作成类似塑料的块状物。

此时，对于相同材料为何交换电荷的主要假设是表面特性的不规则变化。令人沮丧的是，团队最初的结果也反映了随机性和不可预测性。在尚未怀疑样本的接触历史会发挥作用时，他们已在测试各种条件，有时使用相同的样本，全然不知这些样本在每次额外接触中都在演变。随着研究方向的探讨，他们考虑测试相同的PDMS样本是否会排序成一个摩擦电系列。“我拿了一组我手头的样本 — 那时我会对它们进行多次实验 — 令我惊讶的是，我在第一次尝试中就看到它们按照一个系列排序，”Sobarzo说道。对于这个意外的结果感到兴奋，团队试图用新样本重复实验，但很快又失望地看到随机结果。“在这一点上，我们本可以放弃，”Sobarzo说。“然而，我决定第二天再次尝试这组样本。结果看起来更好，所以我继续努力，直到在第五次尝试时样本完美排序。”Sobarzo刚刚偶然发现了为什么旧样本在第一次尝试中成功的答案。重复的接触以某种方式允许样本演变。“一旦我们开始跟踪样本的接触历史，随机性和混乱实际上就显得很合理，”Waitukaitis说道。事实上，该团队发现样本在大约200次接触后开始表现出可预测性，并且接触次数更多的样本始终对接触历史较少的样本带有负电荷。研究人员甚至表明，如果控制接触的次数和实验顺序，PDMS样本可以可靠地形成“预设计”的摩擦电系列。

更光滑的表面

样本的接触历史能够控制其充电方式的想法从未被提出过。借此，团队解释了为什么许多接触电气化实验看起来是随机的和不可控的。然而，仍然存在一个问题 — 接触的行为是如何改变样本的？因此，团队进一步推动，使用各种表面敏感技术研究接触前后的样本。在所有调查的参数中，只有一个提供了任何线索：他们发现在纳米级上材料的表面粗糙度发生了明显变化。更具体地，他们展示了接触使材料表面上最微小的凸起变得光滑。至于这如何导致接触电气化，团队并不清楚，但由于这是他们能够检测到的唯一变化，因此非常有启示性。“我们设法揭示了对电力和静电理解至关重要且依然让科学家困惑已久的难以捉摸的机制的重要线索，”Sobarzo说。Waitukaitis兴奋地总结道：“我们表明静电学的科学不再是那么绝望了。”