静电早在公元前600年就已被首次注意到。然而，科学家们长期以来发现很难解释通过摩擦产生电的现象。研究人员在2019年取得了重大进展，确定纳米级表面变化是一个关键因素。他们现在声称，当物体滑动时，前侧和后侧的电荷累积方式不同，这导致了电流的产生。
任何曾经抚摸过猫或在地毯上拖脚的人都知道，两个物体相互摩擦可以产生静电。然而，精确理解这一过程是如何发生的，困扰着科学家们超过两千年。
最近，来自西北大学的科学家们揭示了这一现象涉及的力学。
研究人员发现，当物体移动时，其前后部分受力不同。这种差异导致这些部分上累积的电荷量不同，从而产生电流，造成微小的电击。
这项研究于9月17日在《纳米快报》上发表。
“我们首次能够对一个困扰人们几个世纪之久的谜题提供清晰的解释：摩擦的重要性，”该研究的首席研究员劳伦斯·马克斯表示。 “其他人曾试图解释这一现象，但往往依赖于没有根据的假设。我们的发现提供了一个简单的答案：滑动物体前后不同的表面变形和相应的电荷产生电流。”
专注于表面结构的马克斯是西北大学麦考密克工程学院的材料科学与工程名誉教授。论文的第一作者卡尔·奥尔森是马克斯研究小组的博士生。
古希腊哲学家米利都的泰勒斯是第一个在公元前600年记录摩擦与静电之间关系的人。在他用动物毛皮摩擦琥珀后，他观察到毛皮能够吸引尘埃颗粒。
“自那时起，我们认识到摩擦不仅在毛发上会导致静电充电，而且在所有绝缘体上都会如此，”马克斯提到。 “然而，科学理解基本上停滞在此。”
马克斯及其团队在2019年开始拼凑这个谜题。他们在《物理评论快报》上发布了发现，揭示如何摩擦两种不同材料会使其表面的小突起弯曲，从而产生电压。
“在2019年，我们看到了潜在机制的一瞥，但就像种子一样，它需要时间来发展，”马克斯解释道。“现在它已经发展成为一个新的模型，能够计算电流。我们的发现与各种情况下的实验数据非常吻合。”
这个新模型的核心围绕着一个被称为“弹性剪切”的概念。这个术语描述了材料对滑动力的抵抗。例如，当有人在桌子上推一个盘子时，盘子会对这种力量反推。一旦推力停止，盘子会立即因摩擦而停止运动，从而驱动电荷的运动。
“滑动与剪切之间有着深刻的联系，”马克斯澄清道。
虽然静电有时会产生有趣的事件，比如从游乐设施上滑下后头发竖起，但它也可能带来严重的风险。静电产生的火花已知会导致工业火灾和爆炸。此外，它可能会干扰粉状药物的准确剂量。深入了解静电的运作方式可能会帮助研究人员开发解决这些挑战的方案。
“静电在我们的生活中以简单和重要的方式发挥作用，”马克斯表示。“例如，静电荷可以极大地影响咖啡豆的磨碎方式及其最终风味。此外，如果没有参与行星形成的粒子聚集的静电，地球可能不会以目前的形式存在。静电对我们生活乃至宇宙的影响是显著的。”
这项名为“什么让‘摩擦’成为摩擦电”的研究得到了西北大学工程学院的支持。
