当两种绝缘的中性材料接触并分离时，它们就交换电荷。
长期以来，实验表明，这种“接触起电”是可传递的，不同的材料根据获得的电荷符号排序为“摩擦起电序列”。
与此同时，其效果受到不可预测性的困扰，阻碍了对机制的共识，并对序列所暗示的韵律和原因产生了怀疑。
在此，来自奥地利科学技术研究所的Juan Carlos Sobarzo等研究者揭示了接触电气化的不可预测性和有序性之间意想不到的联系：名义上相同的材料最初随机和非传递地交换电荷，但经过反复的实验，有序变成了摩擦电序列。相关论文以题为“Spontaneous ordering of identical materials into a triboelectric series”于2025年02月19日发表在Nature上。
接触电气化，也被称为“摩擦电”或“摩擦电化”，挑战了研究者对物理现象的理解。
从原则上讲，它似乎很简单：取两个中性绝缘体，接触并分开，它们会交换电荷。
通常与“静电”以及用气球摩擦头发的演示相联系，然而，接触电气化在自然界的许多领域中至关重要，从雷暴云的电气化，到粘附在大黄蜂上的花粉，再到尘土聚集成原行星的过程。
尽管如此，正如任何一篇关于接触电气化的文章所强调的那样，这一现象最基本的方面——即电荷载体及其交换的原因——仍然存在争议。
与接触电气化相关的一个显著观察是不同材料在摩擦电系列中“排序”的“趋势”，即根据材料充电时的电荷符号进行排列的传递性列表。
例如，在1757年由J. C. Wilcke创建的首个摩擦电系列中，玻璃对纸充电为正，纸对硫磺充电为正，因此玻璃对硫磺充电为正。
摩擦电系列的概念促使人们提出，接触电气化可能由一个单一的基础参数主导——为了便于命名，称其为φ。与φ相关的候选机制众多，包括：电子属性、酸碱性、ζ电势、亲水性/疏水性、弯曲电性和机械化学等。
然而，由于对接触电气化最基本方面缺乏共识，尚无公认的解释。
更重要的是，许多实验质疑摩擦电系列的有效性——以及对接触电气化的任何合理解释的希望。
不同实验室之间的系列比较经常不一致。两种材料最初可能以一种方式交换电荷（A对B充电为正），但随后却表现出极性反转（B对A充电为正）。
一些实验偶尔指出存在“摩擦电循环”，即系列会自我回环。
更令人困惑的是，即使是“相同”的材料接触时也会交换电荷，而解释这种现象的一个主流模型依赖于随机性和不可预测性。
基于前述讨论，研究者的研究从以下问题开始：相同材料的样品是否会按摩擦电序列排序？
研究者通过图1所示的系统进行探讨。研究者准备了相同的聚二甲基硅氧烷（PDMS）样品，并用字母A-H标记它们（图1a）。选择PDMS是因为其低的杨氏模量（E = 4.3 ± 0.2 MPa）和极致的光滑度（未接触的样品粗糙度Rq≈ 7 Å），这些特性有助于使接触尽可能“符合”。
为了测量一对样品的电荷交换，研究者使用图1b所示的装置。
研究者将每个样品安装在聚四氟乙烯（PTFE）杆上，其中一个杆放置在法拉第笼内并连接到电计上，从而可以测量电荷。另一个杆则位于外部，通过线性驱动器推动样品接触。通过内置的力传感器，研究者在每次接触时都能达到设定压力（P ≈ 45 kPa，约为1%的宏观应变）。
在测量电荷交换之前，样品总是先完全放电（<0.5 pC的残留电荷）。图1c、d展示了连续接触两对样品时的代表性电荷交换数据。在第一对样品中，一个样品持续充电为正，另一个持续充电为负（图1c）。
在第二对样品中（图1d），电荷交换表现出极性反转——这一观察似乎表明接触电气化的不可预测性，但——正如稍后所明示的——这是一个重要线索。为了说明这种变异性，研究者定义ΔQ5为五次接触中的平均电荷交换，每次都从完全放电的样品开始。
至此，研究者揭示了接触电气化中不可预测性与有序性之间的一种意想不到的联系：名义上相同的材料最初以随机且无传递性的方式交换电荷，但在多次实验后逐渐排序成摩擦电系列。
研究者发现，这一演化过程是由接触本身驱动的——接触次数较多的样品相对于接触次数较少的样品更倾向于带负电荷。
通过构建一个最简模型捕捉这一“接触偏置”现象，研究者在数值模拟中重现了接触电气化的初始随机性及最终的有序性，并在实验上利用该效应成功诱导出特定的摩擦电序列。
此外，研究者采用一系列表面敏感技术探寻接触导致的潜在变化，结果仅发现纳米级的形貌改变，这表明该机制与力学过程存在强耦合。
研究者的研究强调了接触历史在接触电气化中的核心作用，并暗示，深入研究这一现象长期以来的不可预测性，可能正是理解其本质的关键。
图1 相同的材料自发地排列成摩擦电序列。
图2 接触推动演化。
图3 验证接触演化模型。
图4 接触改变了什么？
综上所述，研究者得出结论，接触电气化中的不可预测性或许并非无可救药。
通过仔细关注接触历史，研究者不仅能解释系统中的不可预测性，甚至能将其驯服。考虑到接触历史的影响，摩擦电系列的概念可能是一个有用的启发性工具，但它的作用也仅此而已。如果这一现象普遍存在，追求一种固定不变的排序就像是在追逐海市蜃楼。
最后，专注于相同材料的接触电气化，并探索其中的不可预测性来源，研究者提炼出与其机制相关的最基本因素。对于这样一种（1）极具不可预测性且（2）由不同学科领域以不同语言和概念偏见研究的现象，纯化后的信息是宝贵的。
在这里的实验系统中，这使研究者得出结论：电荷转移的原因必须与纳米级接触力学密切相关。因此，介绍中提到的两种机制值得特别关注：机械化学和弯曲电性。
前者认为，机械应变——在纳米尺度的表面形貌变形过程中会变得特别大——足以导致异裂键的断裂，从而释放带电物种进行转移；后者则将电极化与机械应变梯度耦合——这同样在纳米尺度变形中变得显著——因此可以预期在接触过程中产生巨大的电场。
研究者的数据不足以直接验证或否定这两种假设，但却促使研究者进行诱人的推测：两者可能都在起作用。
因此，研究者的研究呼吁更加仔细地考虑这些机制，尤其是考虑接触电气化固有的摩擦学性质，并探索它们的协同作用。
参考文献Sobarzo, J.C., Pertl, F., Balazs, D.M.et al. Spontaneous ordering of identical materials into a triboelectric series.Nature638, 664–669 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08530-6原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08530-6
