80年前的静电之谜终于解开了

在接触电荷电介质上充电马赛克。（a） 在传统观点中，两种电中性材料（gra）接触，然后均匀地分离电荷（左下角），一种是正极（红色），另一种是负电荷（蓝色）。在另一种情况下（右下角），每个表面都会形成一个高度不均匀的“电荷镶嵌”，其相邻的畴具有相反的电荷极性。（b） 文献中报道的电荷马赛克拼贴画（标明年份和比例尺）。图片来源：联合国统计局

从历史上看，直到18世纪左右，接触式电气化（CE）一直是人类第一个也是唯一的电力来源，但其真实本质仍然难以捉摸。今天，它被认为是激光打印机，LCD生产工艺，静电涂装和塑料分离回收等技术的核心组成部分，以及由于伴随CE的静电放电（ESD）而导致的主要工业危害（电子系统损坏，煤矿爆炸，化工厂火灾等）。在真空中，简单胶带的ESD非常强大，可以产生足够的X射线来拍摄手指的X射线图像。

在很长一段时间里，人们认为两种接触/滑动的材料是相反和均匀地充电的。在20世纪40年代，虽然观察到每个分离的表面在CE之后都携带（+）和（-）电荷。所谓的电荷马赛克的创建归因于实验的不可重复性，接触材料固有的不均匀性或CE的一般“随机性”。

由来自软与生物物质中心的Bartosz A. Grzybowski教授（化学系）领导的一个研究小组，在UNIST的基础科学研究所（IBS）内调查了十多年来可能的电荷马赛克来源。这项研究已在线发布，并被列入2022年10月的《自然物理学》杂志，预计将帮助控制潜在有害的静电放电。

“在我们2011年的科学论文中，我们展示了亚微米级电荷的非均匀性，其来源不明。当时，我们的假设是将这些（+/-）马赛克归因于被分离的表面之间微观材料斑块的转移。然而，经过多年关于这个问题的工作，这个模型和相关模型根本站不住脚，因为我们（以及我们讨论过的许多其他同事）逐渐不清楚这些微观斑块如何解释在同一表面上共存的甚至毫米级相反极性的区域。尽管如此，我们和社区没有更好的答案，为什么（+/-）马赛克在这么多长度的尺度上都能看到，“Grzybowski教授说。

在最近发表在《自然物理学》上的论文中，Grzybowski教授的小组表明，电荷马赛克是ESD的直接后果。实验表明，在分层材料之间产生“火花”序列，它们负责形成两种材料对称的（+/-）电荷分布。

“你可能会认为放电只能使电荷归零，但它实际上可以在局部反转它们。它与点燃'火花'比熄灭它容易得多，“该论文的主要作者雅罗斯拉夫·索博列夫博士说。“即使电荷减少到零，火花仍然由未受火花影响的相邻区域的场提供动力。

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，摩擦气球，在特氟龙表面上滚动的钢球，或从相同或其他聚合物上分离的聚合物。它还暗示了当您剥离粘性磁带时噼啪作响的噪音的起源 - 它可能是等离子体放电像吉他弦一样弹拨磁带的表现。研究小组指出，所提出的研究应该有助于控制潜在有害的静电放电，并使我们更接近于真正了解接触电气化的本质。

更多信息：Bartosz Grzybowski，接触电介质上的电荷马赛克是由极性反相放电引起的，自然物理学（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01714-9

H. T. Baytekina等，接触电气化中表面电荷的马赛克，科学（2011）。DOI： 10.1126/科学.1201512

期刊信息： 自然物理 ， 科学