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靜電之謎解決：材料“接觸史”決定電荷
奧地利科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，靜電并非隨機(jī)混亂，而是由材料接觸歷史決定。研究揭示接觸次數(shù)越多，電荷交換越可預(yù)測，或解開困擾數(shù)百年的科學(xué)難題。
自古以來，靜電就以其神秘而日常的面貌吸引著人們。從摸門把手時的小小電擊，到調(diào)皮貓咪毛上粘住的泡沫顆粒，這看似簡單的現(xiàn)象卻讓科學(xué)家們撓頭不已。幾百年來，大家都見過氣球摩擦頭發(fā)帶起靜電的把戲，可誰能想到，連這背后的道理都沒完全弄明白呢？在奧地利科技研究所，Scott Waitukaitis帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)掀開了這個謎團(tuán)的一角：原來，材料之間的“接觸歷史”才是決定電荷如何流動的關(guān)鍵。
科學(xué)家管靜電叫“接觸起電”，名字里雖有“靜”字，可本質(zhì)上卻離不開動作。只要兩個中性材料一碰面，總會有些電荷偷偷轉(zhuǎn)移。Waitukaitis無奈地說：“接觸起電無處不在，誰都會遇到，所以聽到我們還不明白它怎么回事，你可能會覺得挺意外。”他和博士生Juan Carlos Sobarzo一起，決心解開這個讓人抓狂的難題。他們在《自然》雜志上發(fā)表了成果，展示出從看似混亂的現(xiàn)象中找到的秩序。
其實(shí)，靜電的奧秘早不是新聞了。早在1950年代，科學(xué)家們就搞清楚了金屬的起電機(jī)制，可到了絕緣材料這兒，事情就復(fù)雜了。偏偏這些絕緣體才是電荷交換的大戶。過去的研究者試著給它們排個序，就像玻璃對陶瓷帶正電，陶瓷對木頭也帶正電，那玻璃對木頭多半也是正的，形成所謂的“摩擦起電序”。可麻煩在于，不同人測出的順序不一樣，甚至同一個人重復(fù)實(shí)驗(yàn)都可能得出不同結(jié)果。Waitukaitis直言：“研究絕緣材料的電荷交換，簡直亂得一塌糊涂，有時候就像完全隨機(jī)。”
這種混亂讓物理學(xué)家和材料學(xué)家頭疼不已，連個像樣的模型都湊不出來。更讓人費(fèi)解的是，就連兩個一模一樣的材料，比如兩個氣球，也會互相交換電荷。既然材料相同，電荷憑什么挑方向走呢？
為了解決這個謎，Waitukaitis和Sobarzo決定從“相同材料”入手。他們選了一種透明的硅基聚合物PDMS，制成塑料塊，盡量減少變量。他們初猜，表面隨機(jī)的細(xì)微差異可能是原因，可實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是亂七八糟。那時候，他們還沒想到“接觸歷史”會是關(guān)鍵，隨手拿些用過的樣本反復(fù)測試，卻沒意識到這些樣本早隨著每次接觸悄悄變了樣。
有一天，Sobarzo隨手抓起一組舊樣本試了試，驚奇地發(fā)現(xiàn)它們竟然前面次就按順序排列出了起電序！興奮之余，他們用新樣本重做，卻又回到了隨機(jī)的老樣子。“那會兒我們差點(diǎn)放棄，”Sobarzo回憶說，“可我第二天又試了一次，結(jié)果好了一點(diǎn)。我不死心，連試了五次，到第五次時，樣本終于整整齊齊排出了順序。”這意外的發(fā)現(xiàn)讓他靈光一閃：舊樣本前面次就成功，莫非是因?yàn)樗鼈儽环磸?fù)接觸過了？
果不其然，一旦開始追蹤樣本的接觸歷史，一切混亂都變得有跡可循。Waitukaitis笑著說：“ randomness 和 chaos 原來一點(diǎn)都不亂。”他們發(fā)現(xiàn)，樣本在接觸200次左右后行為變得可預(yù)測，而且接觸次數(shù)多的總是對少的帶負(fù)電。更有意思的是，只要控制接觸次數(shù)和實(shí)驗(yàn)順序，PDMS樣本還能按設(shè)計(jì)的起電序排列。
可接觸到底改變了什么呢？團(tuán)隊(duì)用各種技術(shù)對比了接觸前后的樣本表面，發(fā)現(xiàn)只有的變化是表面的納米級粗糙度變了——接觸讓那些微小的凸起被磨平了。雖然還不清楚這怎么引發(fā)起電，但這是他們找到的只有線索，指向性十足。Sobarzo感慨：“我們抓住了一個大線索，解開了電學(xué)和靜電學(xué)里一個基本的、卻困擾科學(xué)家許久的機(jī)制。”
Waitukaitis總結(jié)道：“我們證明了，靜電這門科學(xué)再也不是無解的了。”從門把手上的小火花到氣球帶起的頭發(fā)，這熟悉的現(xiàn)象背后，終于露出了一絲秩序的曙光。
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