受靜電困擾的貓。圖片來源：wikipedia/Sean McGrath
撰文 | 王昱
審校 | 不周
用玻璃棒摩擦絲綢，玻璃棒失電子帶正電；毛皮摩擦橡膠棒，毛皮失電子，橡膠棒帶負電。我們在中學接觸電學，大多是從這樣的描述開始的。老師們先從靜電的正負電荷入手，然後再學習電壓、電流，逐漸向我們展示驅動現代世界的電力——當然還有數不清的公式和充滿惡意的出題人。
用驗電器檢驗物體的帶電情況。圖片來源：wikipedia
經受過出題人的折磨過後，你或許會奇怪，電磁學明明涉及這麼多精確計算，但對於一開始的靜電，課本卻只有概念性的描述。這可是物理，是一個能用計算重現整個世界的學科，怎麼在電學的第一課卻沒有公式呢？
你可能會猜是靜電的計算太過複雜，不適合剛開始接觸電學的中學生。但實際上，靜電一點也不簡單，就連科學家都沒弄徹底搞清楚靜電的規律，以及摩擦起電的本質——接觸起電（contact electrification）又是怎麼一回事。
歷史悠久的問題
歷史上的科學家早就發現了靜電。古希臘時期就有人發現，用羊毛摩擦琥珀，可以讓琥珀吸引樹葉或灰塵等小東西，這就是靜電導致的現象。當然，這並不意味著那時的人們知道電是什麼。隨著歷史的發展，人們逐漸知道了電的存在，美國科學家本傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin）也提出了正負電荷的概念。1757年，瑞典物理學家約翰·卡爾·維爾克（Johan Carl Wilcke）總結了一些常見材料接觸起電的正負電性規律。比如，玻璃比紙更容易帶正電，紙又比硫磺更容易帶正電，文章開頭對玻璃與絲綢、橡膠與毛皮的描述也位於其中，這被稱為摩擦電序（triboelectric series）。
我們或許能按照摩擦電序標註不同物質對正電荷的吸引能力，不妨暫且將其稱為φ，φ越大的材料越容易帶正電。很自然可以想到，不同的物質具有不同的φ，將不同的材料之間相互摩擦，就能總結出各種物質的φ。這樣，如果遇到兩種沒有相互摩擦過的物質，只要對比兩者的φ，就能知道它們相互摩擦之後誰會帶正電了。
但情況並沒有預想的這麼樂觀。
實際上，後來的實驗並不能總結出相對嚴格的摩擦電序列。甚至在不同研究人員、不同研究機構進行的實驗之間，會產出彼此衝突的結果。在20世紀初，研究人員甚至在實驗中發現，物質之間的電荷交換並不會嚴格遵從摩擦電序的順序，有時在實驗中，同一種物質甚至會有時傾向於帶正電，有時帶負電，形成一種“摩擦電序迴圈”。
更糟糕的是，1926年，有人發現同種物質之間的摩擦也能產生靜電。摩擦電序很難解釋這種現象：如果相互摩擦的兩個物體是由相同的物質組成的，理論上它們對電荷的吸引能力應該是一樣的，但其實他們之間的相互摩擦也能產生靜電。在摩擦起電領域，物理學彷彿“不存在”了。
隨著物理學的發展，科學家對物質、原子，還有電荷本身的認識越來越深入，卻發現摩擦起電，這個堪稱大多數人電學啟蒙的現象，涉及的物理、化學問題越來越多。φ可能和物質的電子特性，酸鹼度，親水性，機械化學等諸多特質有關，但從未有人找到一個足夠簡潔、足夠有力的證據說服所有人。在摩擦起電上，科學家陷入了一個“懂的越多，理解的就越少”的怪圈。
很多自然現象都涉及摩擦起電，比如閃電就是雲層之間摩擦起電的後果。接觸起電甚至可能和生命的起源也有關聯，因為觸發化學反應生成生命分子的機制也涉及靜電的影響。一些現代工業流程甚至也和摩擦起電有關，比如數位印刷和靜電除塵。看看辦公室裡的印表機，在出紙口上會有一些金屬絲，它們的作用是為了釋放列印紙上的靜電，提升列印質量。但由於靜電理論的不成熟，工業上對靜電的處理仍多處在一種不太給力的狀態——那能咋辦，湊合著用唄！既然不知道摩擦產生的究竟是正電還是負電，那就只能把靜電全接地，一股腦放掉，避免可能的影響。
曙光已現
為了減少干擾因素，研究團隊直接使用同種材料來研究接觸起電。他們選擇了楊氏模量較低，較為光滑的材料——聚二甲基矽氧烷（PDMS）進行實驗，這是一種基於矽的透明聚合物。他們將PDMS製成小塊，用機器控制彼此之間的接觸，讓他們帶上靜電。摩擦起電本質上就是非常充分的接觸起電，但摩擦本身也是一個複雜的學科，會引入很多變數，所以研究團隊只讓材料之間彼此接觸，而不是摩擦。
實驗團隊製備的PDMS小塊。圖片來源：ISTA
在實驗開始時，結果一如既往，同種材料之間相互接觸產生的靜電根本沒有規律可循。研究團隊嘗試控制變數找一些規律，比如環境條件（溫溼度），材料表面的潔淨度等。結果依然是一無所獲——不同條件下的PDMS在接觸後究竟帶正電還是負電，根本找不到可靠的規律。
不過，就在研究團隊的一次次重複實驗中，規律慢慢出現了。他們發現PDMS材料在經過約200次接觸後，樣本的行為變得高度可預測：接觸次數較多的樣本傾向於帶負電；而嶄新的樣本更傾向於帶正電。研究團隊馬上開始製備了接觸次數不同的PDMS樣本，結果發現，接觸次數較多的樣本，總是比接觸次數較少的樣本更容易帶負電。在接觸起電這個規律難尋的領域，研究團隊終於找到了相對可靠的規律。
但只有規律還不行，但為什麼接觸次數多的材料就更容易帶負電呢？研究團隊懷疑是接觸次數改變了材料的表面性質，他們便用各種手段觀測了不同接觸次數的樣本，例如用高解析度X射線光電子能譜（HR-XPS）觀測材料的元素組成，用低能離子散射（LEIS）觀測材料的表面特徵，還有拉曼光譜、掠入射X射線散射，甚至他們還祭出了掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）這兩項“神器”拍攝材料表面的顯微影像。結果看起來，不同接觸次數的材料表面，似乎彼此之間沒有什麼差異。
不過，一旦對原子力顯微鏡觀測到的影像進行傅立葉變換，研究團隊馬上察覺到了可疑的線索：接觸次數更多的材料，空間頻率分佈譜的高頻分量更低——翻譯成人話，就是接觸次數更多的材料，在奈米級的尺度上更光滑。可以想像，接觸次數更多的材料，表面的微小凸起會被“磨平”，所以也就更光滑。儘管尚不清楚這種程度的光滑如何影響電荷轉移的方向，但這是研究唯一檢測到的變化，因此被認為是關鍵線索。
研究團隊表示，這或許能解釋了歷史上實驗結果混亂的原因：研究者未考慮材料接觸次數的差異。該研究首次在看似無序的接觸起電中找到了確定性規律——在人類研究了數百年靜電之後，靜電的“物理學”終於出現了。
但也不要太過樂觀，這項實驗只得出了初步成果，也僅對PDMS一種材料進行了實驗。“接觸次數更多的材料更容易帶負電”是在不同物質間通用的規律，還是僅侷限於PDMS一種物質？都還有待後來的物理實驗繼續驗證。也許在測試了更多材料之後，靜電的“物理學”又會沉寂。
但如果後續情況更樂觀的話，我們或許就能開啟“靜電學”的大門。繼續深入研究接觸起電背後的機制，科學家或許能借此解開更多受困於靜電的科學難題；推廣對靜電的理解，甚至還能為工業上的靜電控制提供新的思路（如半導體制造、3D列印等）。就讓我們靜候之後的成果吧。
參考連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08530-6
https://www.nature.com/articles/d41586-025-00298-7
https://www.eurekalert.org/news-releases/1073787
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