受静电困扰的猫。

静电的产生限定难倒了无数物理学家，让他们纷繁惊叹：“物理学不存在了！”

撰文 | 王昱

审校 | 不周

用玻璃棒摩擦丝绸，玻璃棒失电子带正电；毛皮摩擦橡胶棒，毛皮失电子，橡胶棒带负电。咱们在中学斗殴电学，大多是从这样的刻画初始的。竭诚们先从静电的正负电荷脱手，然后再学习电压、电流，逐渐向咱们展示驱动当代寰宇的电力——诚然还稀有不清的公式和充满坏心的出题东谈主。

用验电器测验物体的带电情况。

禁受过出题东谈主的折磨事后，你粗略会奇怪，电磁学明明波及这样多精准计议，但关于一初始的静电，教材却唯有倡导性的刻画。这然则物理，是一个能用计议重现总共这个词寰宇的学科，怎样在电学的第一课却莫得公式呢？

你可能会猜是静电的计议太过复杂，不安妥刚初始斗殴电学的中学生。但本质上，静电少许也不浅陋，就连科学家齐没弄绝对搞明晰静电的限定，以及摩擦起电的内容——斗殴起电（contact electrification）又是怎样一趟事。

历史悠久的问题

历史上的科学家早就发现了静电。古希腊时刻就有东谈主发现，用羊毛摩擦琥珀，不错让琥珀勾引树叶或灰尘等小东西，这即是静电导致的征象。诚然，这并不料味着其时的东谈主们知谈电是什么。跟着历史的发展，东谈主们逐渐知谈了电的存在，好意思国科学家本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）也提议了正负电荷的倡导。1757年，瑞典物理学家约翰·卡尔·维尔克（Johan Carl Wilcke）纪念了一些常见材料斗殴起电的正负电性限定。比如，玻璃比纸更容易带正电，纸又比硫磺更容易带正电，著述伊始对玻璃与丝绸、橡胶与毛皮的刻画也位于其中，这被称为摩擦电序（triboelectric series）。

咱们粗略能按照摩擦电序标注不同物资对正电荷的勾引智商，不妨暂且将其称为φ，φ越大的材料越容易带正电。很当然不错预见，不同的物资具有不同的φ，将不同的材料之间互相摩擦，就能纪念出各式物资的φ。这样，要是遭逢两种莫得互相摩擦过的物资，只消对比两者的φ，就能知谈它们互相摩擦之后谁会带正电了。

但情况并莫得预见的这样乐不雅。

本质上，其后的实验并不行纪念出相对严格的摩擦电序列。致使在不同盘算东谈主员、不同盘算机构进行的实验之间，会产出相互冲破的收尾。在20世纪初，盘算东谈主员致使在实验中发现，物资之间的电荷交换并不会严格确信摩擦电序的设施，未必在实验中，合并种物资致使会未必倾向于带正电，未必带负电，酿成一种“摩擦电序轮回”。

更灾祸的是，1926年，有东谈主发现同种物资之间的摩擦也能产生静电。摩擦电序很深重释这种征象：要是互相摩擦的两个物体是由交流的物资构成的，表面上它们对电荷的勾引智商应该是通常的，但其实他们之间的互相摩擦也能产生静电。在摩擦起电范畴，物理学仿佛“不存在”了。

跟着物理学的发展，科学家对物资、原子，还有电荷自己的意志越来越深刻，却发现摩擦起电，这个号称大大齐东谈主电学发蒙的征象，波及的物理、化常识题越来越多。φ可能和物资的电子性情，酸碱度，亲水性，机械化学等诸多特色联系，但从未有东谈主找到一个充足精真金不怕火、充足有劲的字据劝服总共东谈主。在摩擦起电上，科学家堕入了一个“懂的越多，统一的就越少”的怪圈。

许多当然征象齐波及摩擦起电，比如闪电即是云层之间摩擦起电的后果。斗殴起电致使可能和人命的发源也联系联，因为触发化学反映生成人命分子的机制也波及静电的影响。一些当代工业经由致使也和摩擦起电联系，比如数字印刷和静电除尘。望望办公室里的打印机，在出纸口上会有一些金属丝，它们的作用是为了开释打印纸上的静电，栽植打印质料。但由于静电表面的不熟识，工业上对静电的照管仍多处在一种不太得力的现象——那能咋办，强迫着用呗！既然不知谈摩擦产生的究竟是正电如故负电，那就只可把静电全接地，一股脑放掉，幸免可能的影响。

电子设立多会使用防静电袋包装，谢却静电损坏电路。防静电袋不错通过接地开释电荷，幸免静电的危害。

朝阳已现

近日，奥地利科学工夫盘算所（ISTA）的物理学家在《当然》（Nature）发表论文，给摩擦电序这个陈腐的问题带来了一缕新的朝阳。他们发现此前斗殴起电实验收尾不一致，可动力于材料斗殴次数的影响。

为了减少打扰身分，盘算团队径直使用同种材料来盘算斗殴起电。他们遴荐了杨氏模量较低，较为光滑的材料——聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行实验，这是一种基于硅的透明团聚物。他们将PDMS制成小块，用机器适度相互之间的斗殴，让他们带上静电。摩擦起电内容上就瑕瑜常充分的斗殴起电，但摩擦自己亦然一个复杂的学科，会引入许多变量，是以盘算团队只让材料之间相互斗殴，而不是摩擦。

实验团队制备的PDMS小块。

在实验初始时，收尾一如既往，同种材料之间互相斗殴产生的静电根柢莫得限定可循。盘算团队尝试适度变量找一些限定，比如环境条款（温湿度），材料名义的洁净度等。收尾照旧是一无所获——不同条款下的PDMS在斗殴后究竟带正电如故负电，根柢找不到可靠的限定。

不外，就在盘算团队的一次次相通实验中，限定缓缓出现了。他们发现PDMS材料在经过约200次斗殴后，样本的行径变得高度可展望：斗殴次数较多的样本倾向于带负电；而新鲜的样本更倾向于带正电。盘算团队立时初始制备了斗殴次数不同的PDMS样本，收尾发现，斗殴次数较多的样本，老是比斗殴次数较少的样本更容易带负电。在斗殴起电这个限定难寻的范畴，盘算团队终于找到了相对可靠的限定。

但唯有限定还不行，但为什么斗殴次数多的材料就更容易带负电呢？盘算团队怀疑是斗殴次数改革了材料的名义性质，他们便用各式技能不雅测了不同斗殴次数的样本，举例用高差别率X射线光电子能谱（HR-XPS）不雅测材料的元素构成，用奸险离子散射（LEIS）不雅测材料的名义特征，还有拉曼光谱、掠入射X射线散射，致使他们还祭出了扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）这两项“神器”拍摄材料名义的显微图像。收尾看起来，不同斗殴次数的材料名义，似乎相互之间莫得什么互异。

只看原子力显微镜拍摄的图像（g）可能看不出来区别，但从空间频率漫衍谱（h）上却能发现屡次斗殴后的PDMS材料（绿色弧线）更光滑。

不外，一朝对原子力显微镜不雅测到的图像进行傅立叶变换，盘算团队立时察觉到了可疑的萍踪：斗殴次数更多的材料，空间频率漫衍谱的高频重量更低——翻译成东谈主话，即是斗殴次数更多的材料，在纳米级的标准上更光滑。不错想像，斗殴次数更多的材料，名义的轻细卓绝会被“磨平”，是以也就更光滑。尽管尚不明晰这种进度的光滑如何影响电荷回荡的标的，但这是盘算唯独检测到的变化，因此被以为是要津萍踪。

盘算团队示意，这粗略能评释注解了历史上实验收尾参差的原因：盘算者未讨论材料斗殴次数的互异。该盘算初度在看似无序的斗殴起电中找到了笃定性限定——在东谈主类盘算了数百年静电之后，静电的“物理学”终于出现了。

但也不要太过乐不雅，这项实验只得出了初步收尾，也仅对PDMS一种材料进行了实验。“斗殴次数更多的材料更容易带负电”是在不同物资间通用的限定，如故仅局限于PDMS一种物资？齐还有待其后的物理实验继续考据。也许在测试了更多材料之后，静电的“物理学”又会千里寂。

但要是后续情况更乐不雅的话，咱们粗略就能掀开“静电学”的大门。继续深刻盘算斗殴起电背后的机制欧洲杯体育，科学家粗略能借此解开更多受困于静电的科学坚苦；合手行对静电的统一，致使还能为工业上的静电适度提供新的想路（如半导体制造、3D打印等）。就让咱们静候之后的收尾吧。