在寒冷干燥的冬天，脫衣服時(shí)的噼啪聲、伸手握門把手時(shí)的瞬間酥麻，或者是小時(shí)候用塑料尺摩擦頭發(fā)吸起碎紙屑的實(shí)驗(yàn)，都讓我們覺得靜電再普通不過。

然而，在物理學(xué)家眼中，這個(gè)現(xiàn)象背后藏著一個(gè)困擾已久的科學(xué)謎題：絕緣氧化物是宇宙中最豐富的固體材料，從沙漠里的沙子到月球上的巖石，哪怕是兩塊完全相同的氧化物相互接觸，也會產(chǎn)生靜電，這在理論上是極不合理的。根據(jù)物理學(xué)的對稱性，完全一樣的物質(zhì)接觸，電荷本不該發(fā)生轉(zhuǎn)移。究竟是什么打破了這種對稱性？

此前，科學(xué)家曾猜測是表面的水分、酸堿性或微觀結(jié)構(gòu)差異，但這些解釋在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)面前紛紛折戟。這些猜測一次次被推翻，也讓這個(gè)科學(xué)謎題變得更加棘手。

近日，來自奧地利科學(xué)技術(shù)研究院（ISTA）助理教授斯科特·懷圖凱蒂斯（Scott R. Waitukaitis）及團(tuán)隊(duì)在 Nature 發(fā)表研究成果，他們發(fā)現(xiàn)，幾乎所有暴露在空氣中的物體表面都存在的碳化合物污染，這些碳雜質(zhì)不僅決定了同種材料如何起電，甚至能反轉(zhuǎn)不同材料之間的摩擦起電序列。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)將目光鎖定了二氧化硅，它是地殼中占比高達(dá) 60% 的核心成分，也是月球和巖石行星的主要物質(zhì)。

二氧化硅的接觸起電不僅是實(shí)驗(yàn)室里的奇觀，更是塑造宇宙的力量：撒哈拉沙漠的沙塵能漂洋過海，靠的是靜電讓顆粒相互支撐；火山噴發(fā)時(shí)的壯觀閃電，根源是火山灰顆粒間的起電；甚至恒星形成盤中的微小顆粒，能靠靜電聚合成大天體，最終形成巖石行星，也離不開這一現(xiàn)象。

然而，實(shí)驗(yàn)過程比預(yù)想的要復(fù)雜得多：即便與任何表面（包括鑷子等標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室工具）發(fā)生最輕微的接觸，電荷都會發(fā)生交換。如何在不接觸材料的情況下研究接觸和電荷轉(zhuǎn)移呢？

為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套巧妙的實(shí)驗(yàn)：用聲學(xué)懸浮技術(shù)，把一顆直徑約 500 微米的二氧化硅小球懸在半空，下方放一塊完全相同的二氧化硅平板。利用聲波在不進(jìn)行物理接觸的情況下控制單個(gè)顆粒。通過讓顆粒在同種材料制成的底板上跳動，研究人員可以精確測量這種受控接觸前后的電荷轉(zhuǎn)移。

（來源：上述論文）

然而，在對每個(gè)樣本進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，研究人員發(fā)現(xiàn)某些樣本始終帶正電，而其他樣本則始終帶負(fù)電。那么，是什么導(dǎo)致電荷在兩個(gè)完全相同的材料之間按特定方向流動？這種趨勢又是否可以反轉(zhuǎn)？

在探索不同的處理方式后，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過高溫烘烤或等離子體處理手段，處理掉其中一個(gè)樣本表面的自然吸附層時(shí)，起電規(guī)律立刻發(fā)生了顯著反轉(zhuǎn)。

例如，原本在碰撞中帶正電的小球，在去除表面吸附物后竟然直接轉(zhuǎn)為帶負(fù)電，且處理強(qiáng)度越高，這種極性轉(zhuǎn)變就越徹底。更有力的證據(jù)在于，這種效應(yīng)具有明顯的時(shí)間相關(guān)性：如果將徹底清潔后的樣本放回空氣中靜置幾個(gè)小時(shí)，隨著環(huán)境中的碳分子重新粘附上去，它那種不可預(yù)測的隨機(jī)帶電行為又會逐漸恢復(fù)。

“由于石英玻璃具有很強(qiáng)的耐熱性，熱量不會影響材料本身。因此，我們認(rèn)為任何變化都必定是由于吸附在材料表面的分子引起的?！痹撗芯康牡谝蛔髡呒永鳌じ窳_讓（Galien Grosjean）表示。

圖 | 烘烤后的樣品始終帶更多負(fù)電（來源：上述論文）

順著這個(gè)線索，研究人員對氧化物表面做了全面的檢查，終于揪出了那個(gè)隱藏的 “幕后黑手”——從環(huán)境中吸附到氧化物表面的微量碳質(zhì)分子，也就是我們身邊空氣中隨處飄著的碳雜質(zhì)。這些碳雜質(zhì)看似不起眼，卻能在氧化物表面形成一層薄薄的覆蓋層，而且哪怕是在同一環(huán)境下，兩個(gè)看似相同的氧化物，表面吸附的碳雜質(zhì)的多少、種類，都會因?yàn)樽陨怼敖?jīng)歷”不同而產(chǎn)生差異，這正是打破材料對稱性，讓相同氧化物接觸起電的核心原因。

圖 | 碳基表面污染會導(dǎo)致同種材料接觸起電（來源：Nature）

研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些碳雜質(zhì)有個(gè)很特別的特點(diǎn)：它們不像水那樣，去掉后能瞬間重新吸附在表面，而是需要幾小時(shí)甚至十幾小時(shí)才能慢慢恢復(fù)；而氧化物的起電規(guī)律，也會跟著碳雜質(zhì)的恢復(fù)節(jié)奏，一步步變回原來的狀態(tài)，二者的變化完美同步。更有趣的是，就算把氧化物放到超高真空環(huán)境中，這些碳雜質(zhì)依然會慢慢吸附上去，真正做到了“無孔不入”。

研究人員還驗(yàn)證了空氣中碳雜質(zhì)對電荷的影響是否適用于除二氧化硅以外的其他絕緣氧化物，包括氧化鋁、尖晶石和氧化鋯。結(jié)果得出了一個(gè)更驚人的結(jié)論：這些碳雜質(zhì)不只是決定相同氧化物的起電，還能操控不同氧化物之間的起電規(guī)律。

自然狀態(tài)下，不同氧化物碰撞會有固定的起電順序，比如氧化鋁碰二氧化硅，氧化鋁總會帶正電；但如果把帶正電的氧化鋁表面的碳雜質(zhì)去掉，它的起電極性會直接反轉(zhuǎn)，原本帶正電變成帶負(fù)電，整個(gè)起電順序也跟著倒了過來。甚至當(dāng)研究人員把兩個(gè)氧化物表面的碳雜質(zhì)都反復(fù)去掉后，它們之間幾乎就不會發(fā)生接觸起電了，這也進(jìn)一步證實(shí)了碳雜質(zhì)的關(guān)鍵作用。

在這項(xiàng)研究之前，科學(xué)家們一直把材料表面的碳雜質(zhì)當(dāng)成“無關(guān)緊要的污染”，研究時(shí)總想辦法去掉，卻沒想到這層看似多余的雜質(zhì)，竟是操控氧化物接觸起電的核心。

這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)，不僅填補(bǔ)了基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的空白，解答了困擾科學(xué)界多年的謎題，還能為實(shí)際應(yīng)用提供重要指導(dǎo)：比如未來的太空探索中，月球、火星上的塵埃帶電會給設(shè)備帶來麻煩，科學(xué)家或許可以通過控制表面碳雜質(zhì)的方式來緩解；工業(yè)生產(chǎn)中的靜電除塵、摩擦起電相關(guān)設(shè)備，也能通過調(diào)控碳雜質(zhì)來優(yōu)化性能。

當(dāng)然，這項(xiàng)研究也為后續(xù)探索留下了新的方向，比如這些碳雜質(zhì)具體是如何影響電荷轉(zhuǎn)移的，碳雜質(zhì)和水之間是否存在協(xié)同作用等問題，還需要進(jìn)一步研究。

1.Grosjean, G., Ostermann, M., Sauer, M. et al. Adventitious carbon breaks symmetry in oxide contact electrification. Nature 651, 626–631 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10088-w

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