冬天脱毛衣时噼啪作响的火花，梳头时头发一根根竖起来，走在地毯上伸手去碰门把手被电得一缩手。这些场景几乎每个人都经历过。正因为太常见，大多数人默认静电是一种简单的物理现象，中学课本里几句话就能讲清楚。但很少有人知道，就在这些看似微不足道的火花背后，藏着一个困扰了科学家两千多年的难题。直到最近几年，一批设计极为精密的实验才开始慢慢揭开它的面纱。而这些新发现得出的结论，可能会颠覆很多人对静电的基本认知。

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-026-00837-w

静电的研究历史可以追溯到古希腊时期。英文里摩擦起电这个词叫做 triboelectric，其中前半部分来自希腊语的“摩擦”，后半部分来自“琥珀”。古希腊人发现，把琥珀在毛皮上摩擦之后，它能够吸引羽毛之类的轻小物体。这是人类对静电最早的系统观察。到了十六世纪末，英国物理学家威廉·吉尔伯特进一步发现，玻璃、钻石、蓝宝石等材料也有类似的吸引力，并且明确区分了这种电力和磁力是两种不同的东西。

在那之后的几百年里，科学家们逐渐认识到，闪电其实就是一种放大版的静电放电现象，和人在地毯上蹭脚之后被电到本质上是同一回事。他们还发明了早期的静电发生器，这些装置后来演变成了科学博物馆里让学生们头发竖起的范德格拉夫起电机。到了十八世纪中叶，研究者开始整理哪些材料摩擦后带正电、哪些带负电，排出了一份份清单，叫做摩擦起电序列。比如兔毛排在序列靠前的位置，意味着它更容易带正电，硅则排在靠后的位置，更容易带负电。

这套序列在教学和工程中被广泛使用，但它有一个致命的问题：很难复现。不同实验室用同样的材料做实验，得到的结果经常不一样。有时候同一份样品，第一次实验带正电，第二次就变成了带负电。这种不可重复性让整个领域的进展长期停滞。二十世纪有一段时间，静电基础研究几乎陷入沉寂，直到二十一世纪初情况才发生变化。

变化的契机来自一种叫做摩擦纳米发电机的装置。这种装置利用摩擦起电效应把机械能转化为电能，可以用来给小型传感器供电。它的出现吸引了一大批对新能源感兴趣的研究者，原本冷门的静电领域一下子热闹起来。

火星上的尘卷风可产生类似闪电的静电放电。图片来源：NASA 图像库/Alamy

伦敦帝国理工学院的机械工程师朱利奥·法蒂（Giulio Fatti）说，过去十年这个领域的研究数量几乎是爆炸式增长。但热闹归热闹，最根本的问题依然没有答案：电荷到底是怎么从一种材料转移到另一种材料的？是电子在跑，还是离子在跑，还是材料本身的微小碎片被带走了？为什么有的材料带正电有的带负电？两种完全相同的材料接触之后会不会起电？这些问题至今没有统一答案。

目前被广泛接受的解释框架大致是这样的：每种材料都有一个特定的电势，叫做功函数，决定了带电粒子脱离材料表面的难易程度。两种材料接触后，功函数低的一方更容易失去电荷。同时，材料表面还需要能够“困住”这些电荷，让它们在两种材料分开时不会立刻跑回去。

这套理论对金属材料还算适用，但放到聚合物、氧化物等非金属材料上就捉襟见肘了。美国西北大学的材料科学家劳伦斯·马克斯（Laurence Marks）直言，摩擦起电到底能不能用现有物理学原理解释，还是说它需要一套全新的模型，这本身就是一个悬而未决的问题。

古希腊人最早发现琥珀经毛皮摩擦后能吸引羽毛等轻小物体，这是人类对静电现象最早的系统记录

奥地利科学技术研究所的实验物理学家斯科特·瓦图凯蒂斯（Scott Waitukaitis）就是在这种背景下开始啃这块硬骨头的。他和团队最初想研究的是同种材料之间的电荷交换，结果一上来就遇到了那个经典难题：实验结果完全对不上。他让当时的博士生胡安·卡洛斯·索巴尔佐（Juan Carlos Sobarzo） 用同一种硅基聚合物的不同样品来建立摩擦起电序列，结果索巴尔佐怎么也得不到一致的数据。同一次实验里样品 A 带负电，下一次就变成带正电，毫无规律可言。

很长一段时间里，团队都以为是自己操作出了问题，觉得一定有某个变量没有控制好。他们甚至专门控制了实验环境的湿度，因为学界普遍认为材料表面的水分会影响起电结果。但即便如此，数据依然混乱。直到索巴尔佐翻出一批已经做过很多次实验的旧样品，把它们和全新的样品放在一起测试，一个规律才浮现出来：经历过更多次接触的样品，更倾向于带负电。团队随后系统记录了每个样品此前经历过的接触次数，发现这个规律非常稳定。所谓的混乱结果，其实是样品本身在随实验次数发生变化。瓦图凯蒂斯说，看起来像噪声的东西，其实是样品在“进化”的信号。研究人员推测，这种变化和材料表面每次接触后产生的微观形变有关。

这个发现已经足够出人意料，但瓦图凯蒂斯团队接下来的工作更让同行惊讶。他们和西班牙巴塞罗那自治大学的应用物理学家 加利安·格罗斯让（Galien Grosjean）合作，把研究对象从聚合物换成了氧化物，也就是沙子这类由原子和氧结合而成的材料。为了排除外界干扰，他们使用了一种可以让样品悬浮起来的装置，避免样品接触其他物体导致电荷变化，同时用高速相机精确测量电荷。

通过悬浮氧化铝颗粒，研究人员可以排除外部因素对其电荷的影响。图片来源：Galien Grosjean

实验之前，研究人员的假设是材料表面的水分会影响电荷交换。但他们把样品分别放在潮湿和干燥环境中储存后，发现结果并没有明显差异。真正起作用的是另一个操作：烘烤。经过烘烤的样品接触后倾向于带负电，没有烘烤的则倾向于带正电。团队仔细分析了材料表面的成分，终于找到了原因。烘烤去除了材料表面附着的含碳分子。这些分子，比如甲烷这类含碳气体，在空气中无处不在，会缓慢但持续地沉积到几乎所有物体表面。格罗斯让说，它们会“慢慢地、但一定会出现在每一个表面上”。实验结果表明，表面含碳分子越多的材料，接触后越容易带正电。

瓦图凯蒂斯坦言，发现含碳分子在起关键作用时，团队都愣了一下。因为在静电研究领域，几乎没有人讨论过这些分子。此前关于摩擦起电的讨论大多集中在电子、离子或者材料本身的性质上，没人想到空气中随处可见的碳污染会成为决定性因素。

这两项发现合在一起，传递出一个共同的信息：不存在一套放之四海而皆准的摩擦起电规则。接触历史的发现目前只在聚合物类材料上得到验证，含碳分子的发现目前只适用于氧化物。

瓦图凯蒂斯直言，认为不同材料之间存在一个固定不变的起电排序，这种想法本身就是一种幻觉。凯斯西储大学的化学工程师丹尼尔·拉克（Daniel Lacks）评价说，小因素产生大影响并不新鲜，真正全新的是这些实验用非常系统的方法证明了某种特定污染物在起主导作用。这个领域正在从“拍脑袋解释”走向“用证据说话”。

材料表面无处不在的含碳分子在电荷交换中扮演关键角色，烘烤去除这些分子后，材料的带电倾向会发生反转

瓦图凯蒂斯团队并不是唯一在推进这个领域的研究组。韩国的一个研究团队报告说，他们可以通过操控材料内部的电场来控制电荷转移。该研究的合作者、延世大学的金尚宇（Sang-Woo Kim）说，这个结果之所以有意义，是因为摩擦起电长期以来被认为是基本不可控的。马克斯则指出，这些发现和现有的电磁学原理是吻合的，说明摩擦起电也许并不需要一套全新的物理规则。

德国的一个研究团队则关注碰撞速度这个变量。他们发现，两种金属碰撞时，随着撞击速度增加，接触面积也会增大，而接触面积的变化会直接影响电荷转移量。撞击速度和电荷转移之间到底有没有关系，此前一直存在争议，这项研究给出了一个比较明确的答案。

伦敦帝国理工学院的法蒂和合作者从另一个角度切入，研究化学键断裂和摩擦起电的关系。他们发现，金属和聚合物接触时，金属可以打断聚合物表面的化学键，这种不稳定状态为电子交换创造了化学条件，电子转移之后化学键重新稳定。这项发表在去年一月的研究成果，有望帮助研究者制造性能更好的摩擦纳米发电机。

现代实验室通过悬浮装置、高速相机等精密设备严格控制变量，逐步揭开摩擦起电的微观机制

这些方向各异的研究有一个共同特点：实验设计越来越精细。马克斯说，自从他 2018 年进入这个领域以来，看到越来越多的物理学家和化学家在用“硬核分析”的方法研究静电，做着极其细致的测量。瓦图凯蒂斯也注意到，越来越多的实验室开始在实验中“较真”，而这些实验室会把自己摸索出的实验技巧分享给同行。整个领域目前还是一个规模不大、联系紧密的圈子，每年只有一个专门的学术会议，瓦图凯蒂斯一直在尝试在更大规模的物理学会议上推广对摩擦起电的研究热情。

基础研究的推进最终会落到实际应用上。更深入地理解静电，首先可以改进摩擦纳米发电机的性能，让它更高效地为远程传感器或可穿戴设备供电。其次，静电放电是很多工业事故的元凶，在粉尘、化工等环境中，一次不起眼的火花就可能引发爆炸。搞清楚电荷在什么条件下积累、在什么条件下释放，有助于从源头预防这类事故。此外，研究者还在探索通过 3D 打印控制材料内部的电荷分布，制造出一种临时的“电永磁”，以及评估月球表面大量带电尘埃对设备和宇航员的潜在损害。火星上的尘卷风也能产生类似闪电的静电放电，这些行星科学问题同样依赖对静电基本原理的理解。

不过，研究者们普遍保持着谨慎的态度。瓦图凯蒂斯说，他不确定这些研究是否让事情变得更简单了，但至少大家在做必要的工作来把它搞清楚。目前已经确认的影响因素包括接触历史、表面含碳分子、内部电场、碰撞速度、化学键断裂等，但这些因素分别在什么条件下、对什么材料起主导作用，还远没有完全理清。每一次电荷交换，可能都是多个因素共同作用的结果，而具体的组合方式随情况变化。有些因素已经被识别出来，还有更多可能尚未被发现。

静电这个伴随了人类文明两千多年的现象，正在从一个中学课本里一笔带过的常识，变成一个需要多学科交叉、精密实验才能推进的前沿课题。它提醒我们，越是熟悉的事物，越可能藏着未被审视的盲区。那些每天都在发生的、看似微不足道的物理过程，也许恰恰是我们理解物质世界的关键入口。

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