科學人／ 每次撸貓都被電？ 揭開產生「靜電」的真正原因

情境示意图。图／Ingimage

大家或许有过这种经验：在地毯上摩擦脚底、脱毛衣，甚至轻轻抚摸猫咪时，忽然感觉到「啪！」一声，好像被电了一下。这个困扰人类两千多年的现象，现在终于有了科学解答！

早在公元前600年，希腊哲学家泰勒斯（Thales of Miletus）就发现，当他用毛皮摩擦琥珀时，琥珀能吸引灰尘。虽然人类知道摩擦能产生静电，还知道哪边是正电跟负电，但其中的「电荷交换」究竟是怎么发生？科学家过了2000年始终搞不清楚。

最近，西北大学（Northwestern University）的科学家们破解了这个古老谜题。他们发现，当物体摩擦时，会产生一种叫做「弹性剪切」（elastic shear）的现象，这种现象导致电荷积累，进而产生静电。这项研究发表在《奈米通讯》（Nano Letters），为长达数千年的静电谜团提供了全新视角。

静电的真正原因：弹性剪切效应

西北大学麦考密克工程学院（McCormick School of Engineering）材料科学与工程荣休教授马克斯（Marks）提出，当一个物体滑动时，物体的前后部分会受到不同的力。这种力的差异导致物体的前后部分积累不同的电荷，而电荷差异则产生电流，最终导致静电放电，我们也就「啪」一声被电到了。

他们发现，当两个物体表面摩擦时，材料表面的小突起会因为「弹性剪切」（elastic shear）而弯曲变形，弹性剪切发生在材料抵抗滑动力时。就像你推动桌面上的盘子时，它会抵抗滑动。停止推动时，盘子就会停止移动。这种因滑动阻力引起的额外摩擦，会导致电荷移动。

小小静电，大大麻烦

静电不只是让你头发乱翘，或脱毛衣时电到自己这么简单。静电可能导致一些工业上的严重问题，比如静电火花引发的工厂火灾或爆炸，也会干扰制药时粉末剂量的精确控制。

了解这个机制后，科学家们就能针对这些问题开发新的解决方法。马克斯教授指出：「静电在日常生活中有着简单却深远的影响。例如，为谷物充电对咖啡豆的研磨与风味有着重大影响。而如果没有微粒因静电而聚集的关键步骤，地球可能根本无法形成。」

资料来源：

1. Why petting your cat leads to static electricity

2. Karl P. Olson et al, What Puts the "Tribo" in Triboelectricity?, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03656

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（本文出自2024.09.23《科学人》网站，未经同意禁止转载。）