摩擦塑料为什么会起电(接触起电现象是如何产生的？科学家们解决了这个80年的物理学之谜)

Posted 2023-05-27

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摩擦塑料为什么会起电(接触起电现象是如何产生的？科学家们解决了这个80年的物理学之谜)

接触起电（CE）是人类最早的也是当时唯一的电力来源，直到大约18世纪，但它的真正性质仍然是一个谜。今天，它被认为是激光打印机、LCD生产工艺、静电喷涂、塑料分离回收等技术的重要组成部分，同时由于伴随着CE的静电放电（ESD），它也是一种主要的工业危险（电子系统的损坏、煤矿的爆炸、化学工厂的火灾）。

2008年发表在《自然》杂志上的一项研究发现，在真空中，一个简单的胶带的ESD是如此强大，以至于它们产生的X射线足以拍摄一个手指的X光图像。

长期以来，人们认为两个接触/滑动的材料以相反和统一的方向充电。然而，在CE之后，人们发现，每一个分离的表面都带有（+）和（-）电荷。所谓电荷马赛克的形成被归因于实验的不可重复性、接触材料的固有不均匀性或CE的一般"随机性"。

Bartosz A. Grzybowski教授资料来源：UNIST

由蔚山科技学院基础科学研究所（IBS）软物质和生命物质中心的Bartosz A. Grzybowski教授（化学系）领导的一个研究小组十多年来一直在调查电荷镶嵌的可能来源。这项研究有望帮助控制潜在的有害静电放电，并于最近发表在《自然-物理》杂志上。

"在我们2011年的《科学》论文中，我们展示了来源不明的亚微米级电荷会有不均匀性。当时，我们的假设是将这些（+/-）马赛克归结为被分离的表面之间的微观材料斑块的转移。然而，在多年的工作中，这个模型和相关的模型根本站不住脚，因为我们（和许多与我们讨论过的其他同事）逐渐不清楚这些微观斑块如何解释甚至是毫米级的极性相反的区域共存于同一表面上。尽管如此，我们和社会各界都没有更好的答案，为什么在这么多长度尺度上都能看到（+/-）马赛克，"Grzybowski教授说。

图1. 接触性带电电介质上的电荷镶嵌。(a) 在传统的观点中，两个电中性材料（灰色）被带入接触，然后均匀地分离电荷（左下），一个是正的（红色），一个是负的（蓝色）。在另一种情况下（右下），每个表面都形成了一个高度不均匀的"电荷马赛克"，相邻的领域电荷极性相反。(b) 文献中报道的电荷马赛克的拼贴图（标明了年份和比例尺）。资料来源：UNIST

在最近发表在《自然-物理学》上的论文中，Grzybowski教授的小组表明，电荷镶嵌是ESD的一个直接后果。实验证明，在分离的材料之间产生了"火花"序列，它们负责形成（+/-）电荷分布，在两种材料上都是对称的。

"你可能认为放电只能使电荷归零，但实际上它可以使电荷局部反转。这与点燃\'火花\'比熄灭它要容易得多的事实有关，"论文的主要作者Yaroslav Sobolev博士说。"即使当电荷减少到零时，火花也会在未被该火花触及的相邻区域的场的作用下继续进行。"

最新提出的理论解释了为什么在许多不同的材料上看到电荷马赛克，包括纸片、摩擦的气球、在特氟隆表面滚动的钢球，或从相同或其他聚合物上分离的聚合物。它还暗示了当你剥开粘性胶带时发出的噼啪声的来源--它可能是等离子体放电像吉他弦一样拨动胶带的一种表现形式。研究小组指出，所提出的研究应有助于控制潜在的有害静电放电，并使我们更接近于对接触电化性质的真正理解。